Многоступенчатый способ получения печной углеродной сажи

 

Изобретение относится к способу получения углеродной сажи, которая применяется как наполнитель, краситель и усиливающий агент в резиновых изделиях и пластмассах. Сущность изобретения состоит в многоступенчатом способе получения печной углеродной сажи, которая характеризуется более низкой, чем обычно, структурой при данной площади поверхности, при данном уровне полного сгорания, способ осуществляют в реакторе, имеющем зону сгорания топлива, зону инжектирования углеводородного исходного сырья, реакционную зону термического разложения исходного сырья, зону резкого охлаждения, разделения и восстановления полученной сажи, при этом непрореагировавший углеводород или водород вводят в реакционную зону и регулируют начальный уровень горения и уровень полного горения таким образом, чтобы степень структурирования сажи была меньше нуля. 16 з.п. ф-лы, 1 ил., 14 табл.

Изобретение относится к способу получения углеродной сажи. Изобретение относится к способу получения печной сажи, имеющей много важных применений, таких как наполнители, красители и усиливающие агенты в резиновых изделиях и пластмассах.

Обычно тепловой способ получения такой сажи сопровождается растрескиванием и/или неполным сгоранием углеводородного исходного сырья, например природного газа, или дроблением сырья при каталитическом цикле в закрытой зоне переработки при температуре более 1255 K (1800^oF = 982^oC), в результате чего и получают углеродную сажу.

Углеродная сажа, которая содержится в вытекающих из зоны переработки газах, охлаждается и улавливается любыми подходящими для этого средствами, обычно применяемыми в этой области техники. Вместе с тем отметим, что очень трудно и как правило коммерчески невыгодно вырабатывать печную сажу с уменьшенной структурой и площадью поверхности по сравнению с той сажей, которую обычно получают из любого другого соответствующего исходного сырья.

Поэтому основной целью изобретения является предложение нового и улучшенного способа получения углеродной сажи, которая имеет: меньшую, чем обычная сажа, структуру при заданной площади поверхности; меньшую, чем обычно, площадь поверхности при данном значении полного сгорания сырья.

Как поясняется здесь и как известно специалистам этой области техники полное сгорание характеризуется полным количеством окислителя, таким как воздух, который используется для процесса получения углерода относительно количества окислителя, необходимого для полного сгорания всего количества углеводорода, используемого в процессе получения углерода (сажи) для образования двуокиси углерода и воды. Полное сгорание обычно выражается в процентах.

В предшествующих документах описаны способы, в которых используется добавление вспомогательного углеводорода, но эти способы отличаются от того, который предлагается в предлагаемом изобретении.

В способе, описанном в патенте США N 2782101, вспомогательный углеводород используется для нейтрализации окисляющих компонентов в потоках горящих газов до их смешивания с углеводородным сырьем. В отличие от способа этого патента в предлагаемом изобретении вспомогательный углеводород не применяется для нейтрализации окисляющих компонентов в потоках горящих газов. Наоборот, в предлагаемом изобретении вспомогательный углеводород в реакционную зону практически вводится в непрореагировавшем виде.

Предложенный здесь способ отличается от описанного в патенте США N 3952087 способа, в котором вспомогательный углеводород вводится в многоступенчатый процесс для получения сажи с большей, чем обычная, структурой. Когда вспомогательный углеводород вводится при определенных рабочих условиях предлагаемого патента, а площадь поверхности поддерживается постоянной снижением скорости потока исходного сырья, вводимого в реактор, происходит увеличение структуры сажи. Это характеризуется тем, что определенный здесь и используемый далее индекс чувствительной структуры (SSI) больше нуля.

Однако согласно способу предлагаемого изобретения индекс чувствительности структуры должен быть меньше нуля, чтобы получить сажу с меньшей, чем обычно, структурой и с меньшей площадью поверхности. Владелец патента США N 3952087 предлагает получать сажу при условиях, когда SSI всегда больше нуля. А с помощью способа предлагаемого патента предлагается получать сажу при таких условиях, когда SSI всегда меньше нуля.

При образовании сажи SSI характеризует количество вспомогательного углеводорода, вводимого в устройство. Это делается для уменьшения структуры углеродной сажи по сравнению с той структурой, которую имеет сажа, получаемая подобным способом, с той же поверхностью, но без ввода в устройство вспомогательного углеводорода.

Для определения индекса чувствительности структуры (SSI) пользуются следующей формулой: SSI=(SAS_mf-SAS_ah)/|SAS_mf|, где SAS_mf - чувствительность поверхности структуры (SSI) углеродной сажи, полученной в данном технологическом процессе при вводе дополнительного сырья; SAS_ah - чувствительность поверхности структуры (SAS) углеродной сажи, полученной в данном технологическом процессе при вводе вспомогательного углеводорода.

Чувствительность поверхности структуры определяют по следующей формуле: SAS=[ΔDBP(Δйодное число Iodine Number)]. где Δ DBP - изменение в дибутилфталате (DBPA) углеродной сажи благодаря изменению одного из рабочих условий процесса; Δ Iodine Number (йодное число) - изменение поглощения йода углеродной сажей при таком же изменении одного из рабочих условий процесса; например, при изменении либо скорости потока исходного сырья, либо вспомогательного углеводорода; SAS определяет количественное воздействие на структуру сажи при изменении ее поверхности.

Применяемый здесь термин "вспомогательный углеводород" относится к водороду или к любому углеводороду, у которого молярное отношение водород/углерод больше молярного отношения водород/углерод для исходного сырья. Примеры подобных углеводородов включает те, которые здесь описаны и используются в качестве топлива и/или исходного сырья.

Предложенный способ отличается от того, который описан в патенте США N 2885511. В этом патенте предлагается вспомогательный газ вводить в зону, куда одновременно подается и исходное сырье, что позволяет независимо менять структуру вещества без воздействия на размеры частиц углеродной сажи. А в предлагаемом способе площадь поверхности частиц сажи уменьшается. Такое уменьшение площади поверхности обычно связано с увеличением размера частиц. Сказанное характеризуется тем, что в данном случае размеры частиц сажи увеличиваются.

В соответствии с предлагаемым изобретением было установлено, что указанные выше и другие цели достигнуты вводом вспомогательного углеводорода в специфический процесс получения технического углерода, а также регулировкой начального горения и полного сгорания, чтобы иметь SSI менее нуля (об этом ниже говорится подробнее).

Согласно предлагаемому изобретению в технологическую операцию получения углеродной сажи вводится вспомогательный углеводород любым способом. При этом необходимо, чтобы непрореагировавший вспомогательный углеводород вводился в то место устройства для получения сажи, которое здесь называется "реакционной зоной". В данном случае этот термин определяет ту зону получения сажи, в которой ранее введенный углеводород смешивается, распыляется и испаряется. В этой же зоне происходит основная реакция образования технического углерода, в результате чего и получают частицы сажи.

Если говорить более точно, то относящаяся к предлагаемому способу реакционная зона определяется точкой в начале места ввода углеводородного сырья и простирается до точки, где процесс образования углеродной сажи заканчивается ее резким охлаждением. Желательно, чтобы область, в которую вводится вспомогательный углерод, простиралась от точки, которая находится на расстоянии около 0,5 длины диаметра реактора (точка против потока ввода сырья), до точки, которая находится на расстоянии около 0,5 длины диаметра реактора (точка по потоку ввода сырья).

При реализации предлагаемого изобретения ввод вспомогательного углеводорода можно производить любым способом, например через отверстие, которое вспрыскивает эту присадку в осевом направлении или наклонно к направлению потока газовой струи. Отметим, что положение точки ввода вспомогательного углеводорода не является критическим параметром, поскольку этот углеводород поступает в реакционную камеру непрореагировавшим. Это означает, что данная присадка еще не успела полностью окислиться или прореагировать и будет участвовать в реакции получения частиц углеродной сажи.

В предпочтительном варианте изобретения вспомогательный углеводород - это газовая смесь, которая из внешней среды перпендикулярно вводится в аксиальной плоскости в поток веществ для получения технического углерода. При этом из внешней среды исходное сырье вводится перпендикулярно в поток горячих газов первой ступени устройства.

Термин "структура", который здесь используется применительно к углеродной саже, определяет ее основное свойство. В данной области техники этот термин обычно характеризует меру агрегации (скопления) начальных частиц сажи. Поскольку всякая сажа в какой-то мере определяется агрегацией начальных частиц, то такая сажа классифицируется как сажа с низкой, обычной и высокой структурой в зависимости от наблюдаемой относительной степенью агрегации. Характеристики указанных классов - низкая, обычная и высокая структура - точно не определены.

Обычно структура сажи считается высокой, когда заметна сильная тенденция частиц образовывать цепочки частиц. И наоборот, структура сажи считается низкой, когда заметна лишь слабая тенденция образования агрегаций начальных частиц. Возможно непосредственное измерение характеристик структуры углеродной сажи, но оказалось, что такой же надежный и более удобный способ определения структуры сажи связан с измерением поглощения нефти сажей.

Именно этот способ, основанный на поглощении нефти, применяется для определения характеристик структуры сажи. Указанный способ применяется в этой области техники и называется методом испытаний D-2414-72 ASTM/ASTM (Американское общество по испытанию материалов - "Коэффициент поглощения дибутилфталата углеродной сажей").

Кратко отметим следующее. Этот метод испытаний заключается в том, что в образец углеродной сажи вводится дибутилфталат (DBP) в виде пушинок или гранул. Испытания проводятся при помощи Абсорбциометра Браденберг-Кабо (изготавливается и продается фирмой "Браденберг", г. Саус Хакенсак, шт. Нью-Джерси), с помощью которого измеряют объем использованного дибутилфталата. Измеренное значение выражается в кубических сантиметрах или в миллиметрах дибутилфталата (DBP) на 100 г углеродной сажи. Этот способ поглощения нефти с применением дибутилфталата для определения структуры сажи используется и в данном случае.

Предложенный в настоящем изобретении способ можно реализовать инжекцией сырья для получения сажи почти перпендикулярно (поперечно) в предварительно сформированный поток горячих газов. Последние текут в сбегающем направлении со средней линейной скоростью, по меньшей мере равной 30,5 м (100 футов/с), а лучше всего со скоростью не менее 152,5 м/с (500 футов/с).

Исходное сырье можно вводить перпендикулярно к потоку газов первой ступени из внешней части потока. Возможно также инжектирование исходного сырья почти в осевом направлении и/или перпендикулярно из того места, которое находится около центра потока газов первой ступени.

Важной и характерной особенностью предлагаемого изобретения является применение таких режимов начального и полного горения, при которых индекс чувствительности структуры (SSI), как определено в данном описании изобретения, меньше нуля. Другой характерной особенностью изобретения является ввод вспомогательного углеводорода в многоступенчатый процесс получения технического углерода. При этом вспомогательный углеводород поступает в реакционную зону практически в непрореагировавшем состоянии, что и дает значение SSI менее нуля.

Как отмечалось выше, реакционная зона согласно данному здесь определению расположена в начальной точке места ввода углеводородного сырья и обычно простирается в сбегающем направлении до точки, где процесс образования углеродной сажи заканчивается ее резким охлаждением. При реализации этого способа полученная углеродная сажа имеет пониженную структуру. Это характеризуется уменьшением коэффициента поглощения дибутилфталата более чем на 5% (при данной и меньшей поверхности), а также уменьшением индекса поглощения йода по меньшей мере на 3% при данном значении полного сгорания.

Как здесь указано, начальное горение характеризуется количеством окислителя (например, воздуха), необходимого на первом этапе многоступенчатого процесса, по сравнению с теоретическим количеством окислителя, необходимого для полного сгорания углеводорода на первом этапе процесса и получения двуокиси углерода и воды. Для удобства начальное горение выражается в процентах. Если на первом этапе получения сажи углеводород не вводится, то значение начального горения бесконечно (00%). Подходящие для данного случая углеводород и окислитель приведены ниже.

При подготовке горячих газов первой ступени, которые в предлагаемом изобретении используются для получения углеродной сажи, в соответствующей камере горения протекает реакция жидкого или газообразного топлива и соответствующего окислителя, например воздуха, кислорода, смеси воздуха с кислородом или т.п. смесей. К горючим веществам, которые в камере сжигания вступают в реакцию с потоком окислителя для получения горячих газов первой ступени, относятся любые легко воспламеняемые газы, пары или потоки таких жидкостей, как водород, окись углерода, метан, ацетилен, спирты, керосин.

Однако желательно использовать такие виды топлива, которые отличаются наличием большого количества углеродсодержащих компонентов и, в частности, углеводородов. Так, например, богатые метаном потоки газов (природный газ и модифицированный или обогащенный природный газ) - это прекрасное топливо, как и другие потоки с большим количеством углеводорода. К ним относятся различные углеводородные газы и жидкости, а также отходы нефтепереработки, включая этановые, пропановые, бутановые и пентановые фракции, различные мазуты и т.п. вещества.

Кроме того, на первом этапе предпочтительного варианта многоступенчатого процесса получения печной сажи предварительно нагретый воздух (обычно при температуре около 1088 K или 1500^oF = 816^oC) используется в качестве окислителя, а природный газ - в качестве топлива для получения начального пламени. Поскольку значения начального горения могут быть в пределах от 100% до 00%, то предпочтительное начальное процентное значение или горение на первом этапе процесса лежит в пределах примерно от 140 до 1000%.

Таким образом, формируется поток горячих газов, текущих со средней скоростью более 30,5 м/c. Было также установлено, что разность давлений между камерой сгорания и реакционной камерой равна по меньшей мере 6,9 кПа (1 фунт) кв. дюйм = 0,07 кг/см², желательно, чтобы эта разность находилась в пределах 10,3 - 68,9 кПа (1,5 - 10 фунтов/кв.дюйм = 0,1 - 0,7 кг/см²).

При таких условиях получают газовый поток, энергии которого достаточно для преобразования углеводородного сырья для получения сажи в необходимый продукт - углеродную сажу. Получаемые на первом этапе процесса газы нагреты по меньшей мере до 590 K (600^oF = 316^oC), но желательно, чтобы температура была равной по меньшей мере 1144 K (1600^oF = 871^oC).

Горячие газы движутся по потоку с приращением их скорости при поступлении в закрытый отсек меньшего диаметра, где происходит инжекция исходного сырья. Этот отсек может иметь некоторую конусность или форму обычной горловины диффузора. На этой стадии процесса, который можно назвать вторым этапом, исходное сырье лучше вводить в поток горячих газов, текущих через первую ступень устройства. Возможен также ввод сырья в любой другой последующей точке, где уже закончился первый этап горения.

Если говорить более точно, то на втором этапе процесса (когда происходит протекание газов первой ступени с большой скоростью и наблюдается скоростной напор газа, равный по меньшей мере 6,9 кПа или 1 фунт/кв.дюйм) происходит инжекция соответствующего углеводородного сырья для получения сажи в газы первой ступени при соответствующем давлении для обеспечения необходимого проникновения. Поэтому обеспечивается большая скорость перемешивания, деформация газов первой ступени и углеводородного сырья.

В данном случае предлагается использование такого углеводородного сырья, которое обладает хорошей летучестью при реакции с ненасыщенными углеводородами, как, например, ацетилен, олефинов - этилена, пропилена, бутилена, ароматических соединений - бензина, толуола, ксилола, некоторых насыщенных углеводородов, а также других углеводородов типа керосинов, нафталинов, терпенов, этиленовых смол и смесей ароматического ряда.

Исходное сырье можно вводить почти перпендикулярно из внешней периферии потока горячих газов первой ступени в виде нескольких когерентных или распыленных потоков, проникающих во внутренние области потока газа первой ступени. Возможен также ввод сырья почти аксиально или поперек из внутренней периферии потока горячих газов первой ступени в виде одного или нескольких когерентных или распыленных потоков.

При реализации предлагаемого изобретения углеводородное сырье обычно вводится в виде потока жидкости, которое под давлением выводится из нескольких отверстий. Последние имеют диаметр порядка 0,25 - 0,508 см (0,01 - 0,2 дюйма), лучше чтобы эти диаметры были в пределах 0,51 - 0,381 см или 0,02 - 0,15 дюйма. При этом необходимое для инжекции давление должно быть таким, чтобы обеспечить нужное проникновение и/или распыление.

Количество вводимого исходного сырья регулируется в зависимости от используемого количества топлива и окислителя, чтобы при образовании сажи обеспечить нужный процент полного сгорания, который примерно равен 10 - 60% (желательно 15 - 35%).

Третий этап многоступенчатого процесса происходит в реакционной зоне, что обеспечивает достаточное время для реакции получения сажи, которая заканчивается резким охлаждением. Хотя время реакции на каждом этапе процесса зависит от определенных условий и тех характеристик, которые нужно придать саже, тем не менее временной интервал данного процесса примерно равен 1 мс (или менее) - 500 мс.

После того, как пройдет необходимое для получения сажи время, реакция заканчивается распылением охлаждающей жидкости (например, воды) из по меньшей мере одного распылительного сопла. Текущие горячие газы, содержащие сажу в суспендированном состоянии, устремляются в направлении потока и переходят в обычную стадию охлаждения, отделения и улавливания углеродной сажи. Выделение сажи из потока газа производится достаточно просто известными способами, например с помощью осадителя, циклонного сепаратора, рукавного фильтра или их комбинацией.

Другие и отличные от указанных целей преимущества и особенности предлагаемого изобретения для специалистов этой области техники будут ясны при чтении последующего подробного описания и формулы изобретения.

Реализация способа предлагаемого изобретения осуществляется вводом вспомогательного углеводорода в реакционную камеру многоступенчатого процесса получения сажи. Кроме того, производится регулирование начального горения и полного сгорания, чтобы SSI данного процесса был меньше нуля.

Математическое объяснение индекса чувствительности структуры следующее. Если поверхность углеродной сажи сохраняется постоянной при помощи ввода вспомогательного углеводорода и удаления исходного сырья, если структура сажи (измеренная при помощи DВРА) уменьшается и если ввод во время реакции дополнительного сырья (при постоянстве всех других вводимых компонентов) приводит к получению сажи с меньшей поверхностью, то SSI должен быть меньше нуля.

Если же реализованы необходимые для получения SSI меньше нуля указанные выше условия, а измерение при помощи DВРА структуры показало ее возрастание, то SSI обязательно больше нуля.

При реализации предлагаемого изобретения можно вводить любое количество вспомогательного углеводорода при условии, что такая присадка поступает в реакционную зону практически непрореагировавшей. Обычно при использовании углеводорода в качестве вспомогательной присадки процентное содержание углерода (C) во вспомогательном углеводороде меньше 60% по массе от всего содержащегося в реагентах углерода. При использовании водорода в качестве вспомогательной присадки процентное содержание водорода (H) во вспомогательном углеводороде меньше 60% по массе от всего содержащегося в реагентах водорода.

При использовании вспомогательного углеводорода в виде газообразного углеводорода желательно его количество иметь таким, чтобы процентное содержание C во вводимом вспомогательном углеводороде было меньше 30% (а еще лучше менее 15%) от всего содержащегося во вводимых реагентах углерода. При использовании водорода в виде вспомогательного углеводорода желательно его количество иметь таким, чтобы процентное содержание H во вводимом вспомогательном углеводороде было бы менее 30% (а еще лучше менее 15%) от всего содержащегося во вводимых реагентах водорода.

Количество применяемого в данном случае вспомогательного углеводорода - газообразного или жидкого - определяется в виде процентного содержания всего углерода (C), вводимого с реагентами для данного процента, кроме тех случаев, когда водород используется как вспомогательный углеводород. Тогда количество вспомогательного углеводорода определяется как процентное содержание всего водорода (H), введенного с реагентами для данного процесса.

Если речь идет об углеводородах, то необходимое количество вспомогательного углеводорода находят при помощи следующего выражения: Число фунтов C во вспомогательном углеводороде: X 100;
% C во вспомогательном углеводороде = полное число фунтов C (1 фунт = 454 г) в реагентах.

Здесь полное количество введенного с реагентами углерода равно сумме введенного реагентами углерода на первом этапе процесса, углерода, введенного исходным сырьем, и углерода, введенного с вспомогательным углеводородом.

Когда водород представляет собой вспомогательный углеводород, количество используемого вспомогательного углеводорода находят при помощи следующего выражения:
Число фунтов H во вспомогательном углеводороде:
X 100;
% H во вспомогательном углеводороде = полное число фунтов H в реагентах.

Здесь полное количество введенного с реагентами водорода равно сумме введенного реагентами водорода на первом этапе процесса, водорода, введенного исходным сырьем, и водорода, введенного с вспомогательным углеводородом.

Сущность предлагаемого изобретения будет более понятна при рассмотрении следующих примеров. Конечно, имеются много других способов реализации изобретения, которые специалистам этой области техники будут ясны после полного раскрытия сущности данного изобретения. Вместе с тем нужно принять во внимание то обстоятельство, что эти примеры даны только в качестве иллюстраций и их не следует рассматривать как ограничители объема предлагаемого изобретения.

На чертеже приведено поперечное сечение одного из термореакторов для получения сажи, который можно использовать для получения углеродной сажи способом предлагаемого изобретения.

На чертеже приведен один из возможных вариантов реализации способа, предложенного в данном изобретении. Хотя, как было сказано выше, на чертеже приведена часть одного из реакторов для получения углеродной сажи, в предлагаемом изобретении можно использовать и любой другой многоступенчатый реактор для получения углеродной сажи, в котором ее получают при помощи пиролиза и/или неполным сжиганием углеводородов.

Обратимся к чертежу. Получение углеродной сажи предложенным в изобретении способом происходит в термореакторе 2, который имеет зону горения 10. В последней имеется зона конвергентного (или сходящегося) диаметра 11, переходная зона 12, секция ввода 18 и реакционная зона 19.

Диаметр зоны горения 10 до точки, где начинается зона с конвергентным диаметром 11, обозначен D-1, диаметр зоны 12 обозначен D-2, диаметры ступенчатой секции ввода 18 обозначены D-4, D-5, D-6 и D-7, диаметр зоны 19 обозначен D-3.

Длина зоны горения 10 до точки, где начинается зона с конвергентным диаметром 11, обозначена L-1, длина зоны с конвергентным диаметром обозначена L-2, длина переходной зоны обозначена L-3 и длины ступенчатой секции ввода 18 обозначены L-4, L-5, L-6 и L-7.

Предложеный в изобретении способ проверялся с помощью четырех различных секций ввода 18, о которых будет сказано ниже.

Для получения углеродной сажи с помощью предложенного в этом изобретении способа нагретые горючие газы получают в зоне горячая 10 соединением жидкого или газообразного топлива с соответствующим окислителем в виде потока воздуха, кислорода, их смеси или т.п. компонентов. Возможно также предварительно нагретый поток окислителя пропускать через зону горения без добавления жидкого или газообразного топлива. К горючим веществам, подходящим для взаимодействия с потоком окислителя в зоне горения 10 для получения горячих газов, относятся любые легко воспламеняемые газы, пары или потоки жидкостей, как, например, природный газ, водород, окись углерода, метан, ацетилен, спирт или керосин.

Однако желательно использовать такие виды топлива, которые отличаются наличием большого количества углеродсодержащих компонентов и, в частности, углеводородов. При получении углеродной сажи по способу предлагаемого изобретения отношение воздуха к природному газу может быть примерно от 10:1 до бесконечности, когда на первом этаже процесса природный газ не вводится. Для упрощения процесса получения горячих газов поток окислителя можно предварительно нагреть.

Поток горячего газа из зон 10 и 11 направляется в зоны 12, 18 и 19, направление этого потока на чертеже показано стрелкой. Сырье 30 для получения сажи вводится в точке 32 (она находится в зоне 12) и/или в точке 70 (находится в зоне 11).

В данном случае предполагается использование углеводородного сырья для получения сажи, которое обладает хорошей летучестью при реакции с ненасыщенными углеводородами, как, например, ацетилен, олефинами - этилен, пропилен, бутилен, ароматическими соединениями - бензин, толуол, ксилол, некоторыми насыщенными углеводородами, а также с другими углеводородами - керосины, нафталины, терпены, этиленовые смолы, смеси ароматического ряда и т.п. вещества.

Расстояние между концом зоны конвергентного диаметра 11 и точкой 32 обозначено Г-1. Сырье для получения сажи 30 обычно вводится несколькими потоками, которые проникают во внутренние области горячих потоков газов первой ступени, что обеспечивает высокую скорость перемешивания и деформации горячих газов первой ступени и сырья для получения сажи. Это позволяет быстро и полностью разложить и превратить исходное сырье в углеродную сажу.

Вспомогательный углеводород вводится в точке 70 с помощью зонда 72 или через каналы 75 для ввода вспомогательного углеводорода, которые находятся в стенках, образующих поверхности раздела зоны 12; где протекает процесс получения углеродной сажи. Ввод вспомогательного углеводорода может производиться и через каналы 76 для ввода вспомогательного углеводорода, которые находятся в стенках, образующих поверхности раздела зон 18 и/или 19, где протекает процесс получения углеродной сажи.

При реализации предлагаемого изобретения вспомогательный углеводород можно вводиться в осевом направлении в точке, находящейся сразу же после места горения топлива в первой ступени (если топливо поступает в первую ступень устройства) и в точке, находящейся около места окончания образования углеродной сажи. Такой ввод возможен при условии, что в реакционную зону вспомогательный углеводород поступает практически непрореагировавшим. Промежуток между точками 32 и 70 обозначен H-1.

В проведенных здесь примерах вспомогательный углеводород вводится четырьмя способами:
несколькими потоками, которые обволакивают потоки 75 сырья для получения сажи;
несколькими потоками, подаваемыми из внешней периферии зоны 12, которая находится между начальными струями сырья для получения сажи в осевой плоскости ввода основного сырья для получения сажи 75;
несколькими поперечными потоками около центра зоны 12 в осевой плоскости инжекции 70 исходного сырья;
несколькими потоками в периферийную зону 18, где протекает процесс получения сажи 76.

Отметим, что все сказанное относится лишь к примерам и не ограничивает другие способы ввода вспомогательного углеводорода.

Смесь исходного сырья для получения сажи и горячих газов первой ступени протекает через зону 12 в зону 18, а затем в зону 19. Тушильник 60, который находится в точке 62 и вводит охлаждающую жидкость 50, например воду, используется для прекращения химической реакции после образования углеродной сажи. Положение точки 62 определяют любым способом, подходящим для данного случая, подбирая место для установки тушильника для прекращения пиролиза.

Один из способов определения места установки тушильника для прекращения пиролиза состоит в определении точки, в которой получают нужный уровень выделения толуола при получении углеродной сажи. Этот уровень измеряют при помощи метода DI618-83 "Обесцвечивание углеродной сажи при экстрагировании толуола" ASTM. Q - расстояние между началом зоны 18 и точкой размещения тушильника 62, которое может меняться в зависимости от положения тушильника 60.

После охлаждения горячих газов первой ступени и исходного сырья для получения сажи охлажденная смесь поступает в обычное устройство охлаждения, где и происходит извлечение углеродной сажи. Выделение углеродной сажи из потока газа производится достаточно просто известными способами, например с помощью осадителя, циклонного сепаратора или рукавного фильтра. После такого разделения возможна операция гранулирования при помощи, например, мокрого гранулятора.

Для определения аналитических и физических характеристик сажи, полученной по предложенному в изобретении способу, производят следующие испытания.

Определение индекса поглощения йода (индекс 12) - по методу D-1510-70 ASTM.

Определение коэффициента поглощения дибутилфталата (DBPA) по методу D-2414-72 ASTM, как описано выше. Полученные данные относятся к углеродной саже в негранулированном виде.

Эффективность и преимущества предлагаемого изобретения иллюстрируются рядом приведенных ниже примеров.

Для демонстрации эффективности предлагаемого изобретения проводились эксперименты по получению углеродной сажи в реакторе той конструкции, которая здесь описана и приведена на чертеже в указанной геометрической форме.

В рассмотренных ниже примерах используются четыре секции ввода 18, которые обозначены буквами A, B, C. D, их размеры указаны в табл. 1 и отмечены на чертеже.

В примерах 1 - 37 вспомогательным углеводородом является природный газ. В примерах 1 - 45 основным топливом для реакции горения также является природный газ. Во всех приведенных здесь примерах при получении углеродной сажи природный газ вводится при температуре окружающей среды порядка 298 K (77^oF = 25^oC).

В примерах 1 - 40 использовали жидкое исходное сырье, которое коммерчески доступно, а его характеристики приведены во втором столбце табл. 2. В примерах 41 - 45 использовали также жидкое исходное сырье, которое коммерчески доступно, а его характеристики приведены в третьем столбце табл. 2.

В данных примерах 1 - 13, полученных по методике предлагаемого изобретения, указаны случаи уменьшения поверхности и структуры при вводе вспомогательного углеводорода при постоянных значениях скоростей потоков данного процесса. В тех же примерах используются два уровня начального горения и два способа ввода вспомогательного природного газа.

Примеры 1 - 5. Начнем с примеров 1-5. Скорость потока природного газа в первой ступени устройства равна 0,016 SCMS (2,15 KSCFH) (SCMS = стандартный м³/c, KSCFH = тысяча стандартных кубических футов/с), скорость потока сжигаемого воздуха равна 0,634 SCMS (85 KSCFH), а температура предварительно нагретого сжигаемого воздуха равна 755 K (900^oF = 482^oC). Результирующий уровень начального горения примерно равен 400%.

В примере 1 приведены данные контрольного прогона, при котором производится ввод сырья для получения сажи почти поперек сформированного потока горячих сжигаемых газов первой ступени со скоростью 1,9·10^-4 м³/с (181 галлон/ч) через четыре отверстия 32 с диаметром 0,206 см (0,081 дюйма), расположенных на внешней периферии потока сжигаемых газов.

Результирующий уровень полного сгорания примерно равен 28,3%. Охлаждение потока при помощи воды производилось в точке на расстоянии около 7,93 м (26 футов) в направлении потока инжекции исходного сырья. При этом получили углеродную сажу с индексом поглощения йода 72 мг/г с коэффициентом DBPA 141 см³/100 г.

В примере 2 рабочие условия получения сажи были такие, как и в примере 1, но уровень полного сгорания снизили в примере 2 до 26,4% за счет повышения скорости потока исходного сырья до 2,05·10^-4 м³/с (195 галлонов/ч). При этом индекс поглощения йода полученной углеродной сажи снизился до 60 мг/г, а коэффициент DBPA практически не изменился.

В примере 3 получили тот же уровень полного сгорания, что в примере 2, за счет постоянства скорости потока исходного сырья, равной 1,9·10^-4 м³/с (181 галлон/ч), как и в примере 1. Но при этом вспомогательный природный газ вводился со скоростью 0,018 SCMCS (2,4 KSCFH) через четыре отверстия 75 с диаметром 0,635 см (0,25 дюйма), размещенных в осевой плоскости инжекции исходного сырья между струями этого сырья.

В отличие от данных примера 2 здесь заметно большое снижение индекса поглощения йода до 43 мг/г, а коэффициент DBPA снизился до 125 см³/100 г. Значение SSI, равное 5,5, рассчитали на основании индекса поглощения йода и коэффициентов DBP примеров 1-3, как отмечено для случая A в табл. 4.

В примере 4 были рабочие условия примера 1, но полное сгорание снизилось до 25,4% за счет повышения скорости подачи исходного сырья до 2,14·10^-4 м³/с (203 галлон/ч). В примере 5 получили тот же, что и в примере 4, полный уровень сгорания за счет повышения до 0,025 SCMS (3,4 KSCFH) подачи вспомогательного природного газа через четыре отверстия 75 с диаметром 0,635 см (0,25 дюйма), которые размещались в осевой плоскости инжекции исходного сырья между струями этого сырья.

Ввод вспомогательного природного газа в примере 5 вызвал снижение индекса поглощения йода по сравнению с примером 1 примерно в два раза больше, чем добавление исходного сырья в примере 4. Одновременно коэффициент DBPA уменьшился на 15 см³/100 г по сравнению с примером 1, который наблюдался в примере 4 по сравнению с примером 1, когда вводилось дополнительное исходное сырье. Соответствующий указанным рабочим условиям SSI равен 3,50, что соответствует случаю B в табл. 4.

Примеры 6 - 9. В примерах 6 - 9 на первом процессе получения углеродной сажи со скоростью 0,447 SCMS (60 KSCFH) вводили предварительно нагретый до температуры 755 K (900^oF) воздух, а со скоростью 0,014 SCMS (1,88 KSCFH) вводили природный газ с температурой окружающей среды порядка 298 K (77^oF). При этом результирующий уровень начального горения равнялся 325%.

В примерах 6 и 7 приведены данные контрольных прогонов, которые производились при двух уровнях полного сгорания без вспомогательного природного газа. В примере 6 почти поперек сформированного потока горячих сжигаемых газов сырье для получения сажи вводилось со скоростью 1,43·10^-4 (136 галлон/ч). Сырье вводилось через четыре отверстия 32 диаметром 0,206 см (0,081 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов. При этом результирующее полное сгорание составило 26,1%, а охлаждение реакции происходило водой в точке на расстоянии 7,93 м (26 футов) от места инжекции сырья. Полученная углеродная сажа имела индекс поглощения йода 77 мг/г и коэффициент DBPA 183 см³/100 г.

В примере 7 значение полного сгорания было снижено до 23,4% за счет повышения скорости потока сырья до 1,6·10^-4 м³/с (152 галлон/ч) при неизменности всех остальных рабочих условий, в результате чего индекс поглощения йода снизился до 55 мг/г, а коэффициент DBPA повысился до 190 см³/100 г.

Рабочие условия получения сажи в примере 8 идентичны условиям примера 6 и отличаются лишь тем, что полное сгорание в примере 8 снижено до 22,8%. Это значение получили вводом вспомогательного природного газа со скоростью 0,025 SCMS (3,4 KSCFH) почти перпендикулярно через четыре отверстия 75 с диаметром 0,635 см (0,25 дюйма), которые находились между струями исходного сырья в плоскости инжекции этого сырья. Полученная при этом углеродная сажа имела индекс поглощения йода 30 мг/г и коэффициент DBPA 168 см³/100 г.

В примере 9 таким же способом, что и в примере 8, вводили вспомогательный природный газ со скорость 0,039 SCMS (5,2 KSCFH). При этом углеродная сажа имела индекс йода16 мг/г и DBPA 148 см³/100 г. Данные примеров 6 и 7 использовали для расчета SASmf, а данные примеров 8 и 9 объединили с данными примера 6 и использовали для расчета SASah, которые приведены в табл. 4. Эти значения SAS затем использовали для определения SSI, значения которых соответствуют случаям C и D в табл. 4. Отметим, что эти значения SSI меньше нуля.

Примеры 10 - 13. Из примеров 10 - 13 видно, что предложенный в данном изобретении способ получения углеродной сажи слабо зависит от места ввода вспомогательного углеводорода. В этих примерах в зону горения устройства со скоростью 0,447 SCMS (60 KSCFH) вводили воздух, предварительно нагретый до температуры 755 K (900^oF) и со скоростью 0,011 SCMS (1,52 KSCFH) вводили природный газ при температуре окружающей среды порядка 298 K (77^oF). Результирующий уровень начального горения примерно равен 400%.

В примере 10 приведены данные контрольного прогона, при котором производился ввод сырья для получения сажи почти поперек сформированного потока горячих сжигаемых газов со скоростью 1,63·10^-4 м³/с (155 галлон/ч) через четыре отверстия 32 с диаметром 0,226 см (0,089 дюйма), расположенных на внешней периферии сжигаемых газов.

Результирующий уровень полного сгорания примерно равен 23,5%, охлаждение реакции производилось с помощью воды в точке на расстоянии около 7,93 м (26 футов) в направлении плоскости инжекции исходного сырья. При этом получили углеродную сажу с индексом поглощения йода 48 мг/г с коэффициентом DBPA 179 см³/100 г.

В примере 11 значение полного сгорания повысили до 25,1% уменьшением скорости потока исходного сырья до 1,53 м³ (145 галлон/ч) и получили углеродную сажу с индексом поглощения йода 59 мг/г при DBPA 169 см³/100 г.

В примере 12 рабочие условия были похожи на условия примера 10 и отличались лишь тем, что в примере 12 значение полного сгорания снизили до 22,2%. Это значение получили при почти перпендикулярном вводе вспомогательного природного газа со скоростью 0,011 SCMS (1,5 KSCFH) через девять отверстий 76 с диаметром 0,257 см (0,101 дюйма), которые равномерно размещались по окружности третьей ступени устройства для получения углеродной сажи и находились на расстоянии около 25,4 см (10 дюймов) по потоку в плоскости инжекции исходного сырья. При указанных условиях получили углеродную сажу с индексом поглощения йода 34 мг/г и с коэффициентом DBPA 165 см³/100 г.

В примере 13 скорость потока вспомогательного природного газа повысили до 0,022 SCMS/3,0 KSCFH и получили углеродную сажу с индексом поглощения йода 20 мг/г при коэффициенте DBPA 139 см³/100 г. Значения SSI для этих примеров меньше нуля и приведены для случаев E и F в табл. 4.

Из примеров 14 - 27 видно, что SSI меньше нуля, если получение сажи по способу предлагаемого изобретения происходит при разных условиях ввода вспомогательного углеводорода и при разных значениях полного сгорания.

В этих примерах индекс поглощения йода сохраняется примерно постоянным за счет ввода вспомогательного углеводорода, что уменьшает поверхность углеродной сажи. Одновременное уменьшение скорости потока исходного сырья приводит к повышению поверхности углеродной сажи. Во всех этих случаях измерение структуры при помощи коэффициента DBPA показало ее уменьшение при вводе вспомогательного углеводорода вместо исходного сырья.

Прекращение подачи исходного сырья (при одновременном сохранении скоростей всех других потоков и при неизменной конфигурации реактора) приводит к образованию большей поверхности вещества, что и показало измерение индексов поглощения йода.

Таким образом, приведенные здесь численные данные, которые обеспечивают SSI меньше нуля, встречаются во всех случаях работы реактора, описанных в примерах 14 - 27.

Примеры 14 - 27. В примерах 14 - 17 (табл. 5) на первом этапе процесса получения углеродной сажи со скоростью 0,447 SCMS (60 KSCFH) вводили предварительно нагретый воздух до температуры 755 K (900^oF), а со скоростью 0,11 SCMS (1,52 KSCFH) вводили природный газ при температуре окружающей среды около 298 K (77^oF).

В примере 14 почти поперек сформированного потока горячих сжигаемых газов сырье для получения сажи вводилось со скоростью 1,65·10^-4 м³/с (157 галлон/ч). Сырье вводилось через шесть отверстий 32 с диаметром 0,127 см (0,05 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов.

При добавлении водного раствора ацетата калия получили и поддерживали концентрацию калия, равную 0,74 г/м³ (0,3 г/100 галлонов), в исходном сырье. Результирующее полное сгорание составило 23,4%, а охлаждение реакции производилось с помощью воды в точке на расстоянии 7,93 м (26 футов) в направлении плоскости ввода сырья. При рабочих условиях примера 14 полученная углеродная сажа имела индекс поглощения йода 35 мг/г и коэффициент DBPA 130 см³/100 г. Полученную при этих условиях сажу и ее характеристики использовали как данные контрольного прогона, так как не вводился вспомогательный углеводород.

В примерах 15 - 17 почти полностью соблюдались условия примера 14 за исключением того, что процентное содержание углерода (C) во вспомогательном углеводороде повышали от нуля (контрольный прогон) до последовательно - 2,6%, 6,0% и 10,4%. При этом индекс поглощения йода сохранялся почти неизменным за счет ввода вспомогательного углеводорода и снижения скорости потока исходного сырья.

Вспомогательный углеводород добавлялся в виде оболочки из природного газа, который обволакивал отверстия для подачи 75 природного газа. В примере 15 во вспомогательном углеводороде процентное содержание C повысили до 2,6% за счет снижения скорости подачи исходного сырья до 1,44·10^-4 м³/с (137 галлон/ч) и за счет ввода вспомогательного углеводорода со скоростью 0,007 SCMS (1,0 KSCFH), что привело к повышению полного сгорания от 23,4 до 25,0%.

В примере 16 полное сгорание повысили до 26,2%, а поверхность сажи сохранялась почти неизменной за счет уменьшения скорости потока исходного сырья до 1,29·10^-4 м³ (123 галлон/ч) и повышения скорости потока вспомогательного природного газа до 0,016 SCMS (2,2 KSCFH).

В примере 17 полное сгорание повысили до 28,2% при помощи дальнейшего снижения скорости потока исходного сырья до 1,09·10^-4 м³/с (104 галлон/ч) и повышения скорости ввода вспомогательного природного газа до 0,025 SCMS (3,4 KSCFH).

Данные примеров 14 - 17 говорят о том, что начиная с контрольных значений примера 15, коэффициент DBPA постоянно снижается с 130 см³/100 г до 112, 110 и 100 см³/100 г, а процентное содержание вспомогательного природного газа возрастает. Как отмечалось выше при этих условиях работы реактора рассчитанные значения SSI были меньше нуля.

Примеры 18 - 19. В примере 18 приведены данные контрольного прогона, при котором ввод сырья для получения сажи производился почти поперек сформированного потока горячих сжигаемых газов со скоростью 1,63·10^-4 м³/с (155 галлон/ч) через четыре отверстия 32 с диаметром 0,226 см (0,089 дюйма), расположенных на внешней периферии сжигаемых газов. В этом примере условия горения на первой стадии процесса были такими, как и в примере 14.

При добавлении водного раствора ацетата калия получили и поддерживали в исходном сырье концентрацию калия, равную 13,2 г/м³ (5 г/100 галлонов). Результирующий уровень полного сгорания сставил 23,5%, а охлаждение реакции производилось при помощи ввода воды в точке на расстоянии 7,93 м (26 футов) в направлении плоскости ввода сырья. При этом получили эталонную сажу с индексом поглощения йода 49 мг/г и с коэффициентом DBPA 101 см³/100 г.

В примере 19 процентное содержание углерода во вспомогательном углеводороде повысили от нуля (см. пример 18) до 4%. При этом значение индексов поглощения йода сохранилось постоянным за счет снижения скорости потока исходного сырья до 1,35·10^-4 м³/с (128 галлон/ч) и ввода со скоростью 0,011 SCMS (1,5 KSCFH) вспомогательного углеводорода почти перпендикулярно через четыре отверстия 75 с диаметром 0,635 см (0,25 дюйма), которые размещались между струями исходного сырья в плоскости его ввода.

Повышение процентного содержания углерода при постоянном значении индекса поглощения йода позволило в данном случае получить углеродную сажу с коэффициентом DBPA 78 см³/100 г, что примерно на 23 пункта меньше, чем в контрольном примере 18.

Данные примеров 20 - 27 (см. табл. 6) говорят о том, что уровни начального горения, которые меньше уровней в примерах 1 - 19, соответствуют условиям данного процесса, при которых SSI меньше нуля.

Примеры 20 - 25. В примерах 20 - 25 приведены данные, характеризующие углеродную сажу с мелкой структурой, которую получили при постоянных значениях индекса поглощения йода за счет повышения скорости потока вспомогательного природного газа и одновременного уменьшения скорости потока исходного сырья при рабочем уровне начального горения 250%.

В примере 20 приведены данные контрольного прогона, во время которого в первую ступень устройства со скоростью 0,634 SCMS (85 KSCFH) вводили воздух, предварительно нагретый до температуры 755 K (900^oF), и со скоростью 0,026 SCMS (3,5 KSCFH) вводили природный газ при температуре окружающей среды порядка 298 K (77^oF). Результирующий уровень начального горения равнялся 250%.

Ввод сырья для получения сажи производился в сформированный поток горячих сжигаемых газов почти перпендикулярно со скоростью 2,49·10^-4 м³/с (237 галлон/ч) через четыре отверстия 32 с диаметром 0,206 см (0,081 дюйма), расположенных на внешней периферии потока горячих сжигаемых газов. При добавлении водного раствора ацетата калия получили и поддерживали в исходном сырье концентрацию калия, равную 26,93 г/м³ (10,2 г/100 галлонов). Результирующее полное сгорание составило 21,1%, а охлаждение реакции производилось добавлением воды в точке на расстоянии 7,93 м (26 футов) в направлении плоскости ввода сырья.

Полученная при таких условиях эталонная сажа имела индекс поглощения йода 49 мг/г с коэффициентом DBPA 122 см³/100 г.

В примере 21 использовались операции примера 20 с тем отличием, что процентное содержание углерода во вспомогательном углеводороде в примере 21 повысили до 9,2% за счет ввода вспомогательного природного газа со скоростью 0,036 SCMS (4,8 KSCFH) при одновременном снижении скорости потока исходного сырья до 1,74·10^-4 м³/с (165 галлон/ч), чтобы поддерживать почти неизменной поверхность вещества.

Вспомогательный углеводород вводили почти перпендикулярно через четыре отверстия 75 с диаметрами 0,635 см (0,25 дюйма), которые размещались между струями исходного сырья в плоскости ввода этого сырья. Полученная при этом углеродная сажа имела измеренную с помощью коэффициента DBPA структуру, соответствующую 76 см³/100 г.

Пример 22 - это контрольный случай, данные которого получили при условиях примера 20 с тем отличием, что скорость потока исходного сырья снизили до 2,22·10^-4 м³/с (211 галлон/ч), в результате чего уровень полного сгорания возрос до 23,5%. При этом получили эталонную углеродную сажу с индексом поглощения йода 60 мг/г и с коэффициентов DBPA 102 см³/100 г.

В примере 23 индекс поглощения йода был почти постоянным и равнялся 60 мг/г, хотя процентное содержание углерода во вспомогательном углеводороде возросло до 8,4% за счет повышения скорости потока вспомогательного природного газа до 0,031 SCMS(4,1 KSCFH) и снижения скорости потока исходного сырья до 1,63·10^-4 м³/с (155 галлон/ч).

Вспомогательный природный газ вводили почти перпендикулярно через отверстия 75 с диаметрами 0,635 см (0,25 дюйма), которые размещались между струями исходного сырья в плоскости ввода этого сырья. При этом результирующий уровень начального горения равнялся 27%, а структура полученной углеродной сажи снизилась до 79 см³/100 г.

Контрольные данные примера 24 получили при рабочих условиях, соответствующих примеру 20. В результате получили примерно такую же сажу с индексом поглощения йода 47 мг/г и коэффициентом DBPA 122 см³/100 г.

В примере 25 использовались условия примера 24 с тем отличием, что процентное содержание углерода во вспомогательном углеводороде повысили до 5,0% за счет ввода вспомогательного природного газа со скоростью 0,022 SCMS (2,9 KSCFH) почти перпендикулярно через шесть отверстий с диаметрами 0,345 см (0,136 дюйма), которые располагались по окружности круга вокруг находящегося в центре зонда 72. При этом индекс поглощения йода имел постоянное значение за счет снижения скорости потока исходного сырья до 2,03·10^-4 м³/с (193 галлон/ч). Полученная углеродная сажа имела коэффициент DBPA 100 см³/100 г.

Примеры 26 - 27. В примерах 26, 27 (см. табл. 7) приведены данные, которые характеризуют возможности предлагаемого изобретения при уровне начального горения 147%.

В примере 26 в первую ступень зоны горения со скоростью 0,447 SCMS (60 KSCFH) вводили воздух, предварительно нагретый до температуры 755 K (900^oF), а со скоростью 0,031 SCMS (4,2 KSCFH) вводили природный газ при температуре окружающей среды порядка 298 K (77^oF).

В полученный поток горячих сжигаемых газов сырье для получения сажи вводилось почти перпендикулярно со скоростью 1,64·10^-4 м³/с (156 галлон/ч) через четыре отверстия 32 с диаметрами 0,185 см (0,073 дюйма), которые находились на внешней поверхности потока горячих сжигаемых газов. При добавлении водного раствора ацетата калия получили и поддерживали в исходном сырье концентрацию калия 43,82 г/м³ (16,6 г/100 галлонов).

Результирующее полное сгорание составило 21,2%, а охлаждение реакции производилось добавлением воды на расстоянии около 7,93 м (26 футов) в направлении плоскости ввода сырья. При этом полученная эталонная сажа имела индекс поглощения йода 61 мг/г и коэффициент DBPA 122 см³/100 г.

В примере 27 использовались рабочие условия примера 26 с тем отличием, что процентное содержание C во вспомогательном углеводороде повысили до 14,2% за счет ввода со скоростью 0,036 SCMS (4,8 KSCFH) вспомогательного природного газа почти перпендикулярно через четыре отверстия 75 с диаметрами 0,635 (0,25 дюйма), которые находились между струями исходного сырья в осевой плоскости инжекции этого сырья. При этом индекс поглощения йода сохранялся постоянным за счет снижения скорости потока исходного сырья до 9,79·10^-5 м³/с (93 галлон/ч). Полученная углеродная сажа имела несколько меньший коэффициент DBPA, равный 99 см³/100 г.

Примеры 28 - 37 (см. табл. 8) характеризуют возможность данного способа обеспечить SS1 меньше нуля независимо от способа ввода исходного сырья - распылением или инжекцией. В примерах 28 - 32 приведены полученные данным способом результаты, когда ввод исходного сырья в основном производится в поперечном направлении с распылением под давлением.

В примерах 33 - 37 приведены данные, которые получили при инжекции исходного сырья преимущественно в осевом направлении с распылением под давлением. Эти примеры позволяют сравнивать значения ввода исходного сырья в зависимости от поступления вспомогательного углеводорода для снижения индекса поглощения йода и коэффициента ДВРА.

Примеры 28 - 32. В примерах 28 - 32 в первую ступень устройства со скоростью 0,447 SCMS (60 KSCFH) вводился воздух при температуре 755 K (900^oF) и со скоростью 0,011 SCMS (1,52 KSCFH) поступал природный газ при температуре окружающей среды порядка 298 К (77^oF). Результирующее значение начального горения оценивалось в 400%.

В этих примерах сырье для получения сажи поступало почти перпендикулярно через четыре отверстия 32 с диаметрами 0,079 см (0,031 дюйма), причем каждое из них имело вставную фильеру, что облегчало распыление за счет придания угловой скорости потокам исходного сырья, вводимого в устройство.

В примерах 28, 29 и 31 скорость потока исходного сырья повышали от 1,26·10^-4 м³/с (120 галлон/ч) до 1,4·10^-4 м³/с (133 галлон/ч) и до 1,54·10^-4 м³/с (146 галлон/ч) соответственно, что позволило показать изменения поверхности и структуры сажи при изменении скоростей потоков сырья без ввода вспомогательного углеводорода.

В примерах 30, 32 вводился вспомогательный природный газ через четыре отверстия 75 с диаметром 0,635 см (0,25 дюйма), расположенные на внешней периферии потока сжигаемых газов первой ступени. Газы вводились со скоростью 0,015 SCMS (2,0 KSCFH) и 0,029 (3,9 KSCFH) соответственно. Скорость потока исходного сырья была постоянной, как в примере 28, и равнялась 1,26· 10^-4 м³/с (120 галлон/ч).

Полученные в примерах 28 - 32 значения SS1 приведены в табл. 9 для случаев G и H. Эти значения меньше нуля и свидетельствуют о том, что способ предлагаемого изобретения можно использовать как при распылении, так и при когерентном вводе потока исходного сырья в реакционную зону.

Примеры 33 - 37. В примерах 33 - 37 сажу получали так, как и в примерах 28 - 32 соответственно, с тем отличием, что в устройство исходное сырье вводили в осевом направлении движения потока. Инжекция сырья производилась через сопло 70 с диаметром 0,305 см (0,12 дюйма) для распыления под давлением нефти, которое выпускало поток из кончика зонда 72, последний отступал примерно на 0,25 м (10 дюймов) от осевой точки второй ступени устройства. Сопло для подачи нефти - это сопло "Монарх" для распыления N F-94-120-45, которое приобрели у фирмы "Монарх мануфэкчуринг" (Филадельфия, штат Пенсильвания, США).

Полученные в примерах 33 - 37 значения SS1 приведены в табл. 9 для случае 1 и 3. Эти значения меньше нуля и свидетельствуют о том, что способ предлагаемого изобретения можно использовать как при осевом, так и поперечном вводе потока исходного сырья в реакционную зону.

Предполагается, что и другие коммерческие способы ввода и распыления исходного сырья можно использовать в предлагаемом изобретении. Поэтому предлагаемое изобретение не ограничено каким-то определенным способом ввода сырья при получении сажи.

Примеры 38 - 40. Данные примеров 38 - 40 (см. табл. 11) говорят о том, что при реализации способа предлагаемого изобретения в качестве вспомогательного углеводорода можно использовать легкий жидкий углеводород. Таким жидким углеводородом является коммерчески доступное дизельное топливо типа Д-2, технические характеристики которого приведены в табл. 10.

В этих примерах в зону горения со скоростью 0,634 SCMS (85 KSCFH) вводили предварительно нагретый до температуры 755 К (900^oF) воздух, а со скоростью 0,016 SCMS (2,16 KSCFH) вводили природный газ при температуре окружающей среды 298 K (77^oF). При этом результирующий уровень начального горения равнялся 400%.

В примере 38 приведены данные контрольного прогона, во время которого в зону 12 сырье вводили для получения сажи вводилось почти перпендикулярно со скоростью 1,9·10^-4 м³/с (181 галлон/ч). Сырье вводилось через четыре отверстия 32 с диаметром 0,206 см (0,081 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов. При этом результирующее полное сгорание составило 28,2%, а охлаждение реакции производилось водой в точке на расстоянии 7,93 м (26 футов) в направлении плоскости инжекции сырья. Полученная углеродная сажа имела индекс поглощения йода 70 мг/г и коэффициент DВРА 150 см³/100 г.

В примере 39 рабочие условия получения сажи были идентичны условиям примера 38 с тем лишь отличием, что полное сгорание в примере 39 снизилось до 23,6% за счет смешивания дизельного топлива, которое поступало со скоростью 4,53·10^-5 м³/с (43 галлон/ч), с потоком исходного сырья до ввода потоков этих компонентов в отсек для получения сажи.

Смесь сырья для получения сажи и дизельного топлива вводили почти перпендикулярно в поток горячих сжигаемых газов через четыре отверстия 32 с диаметром 0,226 см (0,089 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов. Полученная при этом углеродная сажа имела индекс поглощения йода 31 мг/г и коэффициент DВРА 141 см³/100 г.

В примере 40 рабочие условия были похожи на условия примера 38 и отличались тем, что значение полного сгорания в примере 40 снизили до 24,5% за счет повышения скорости потока сырья для получения сажи до 2,21·10^-4 м³/с (210 галлон/ч). В примере 40 исходное сырье вводилось почти перпендикулярно в поток горячих сжигаемых газов через четыре отверстия 32 с диаметрами 0,226 см (0,089 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов. Полученная при этом углеродная сажа имела индекс поглощения йода 45 мг/г и коэффициент DВРА 147 см³/100 г. Рассчитанные по значениям SAS примеров 38 - 40 значения SS1 были меньше нуля и приведены в табл. 12 для случая К.

Примеры 41 - 45. В примерах 41 - 45 (см. табл. 13), данные которых получены по способу предлагаемого изобретения, видно, как происходит уменьшение поверхности и структуры при вводе вспомогательного углеводорода (при постоянстве скоростей других процессов). В этих примерах в зону горения со скоростью 0,101 SCMS (13,5 KSCFH) вводился воздух, предварительно нагретый до температуры 755 K (900^oF), и со скоростью 0,003 SCMS (00,348 KSCFH) поступал природный газ при температуре окружающей среды порядка 298 K (77^oF).

Результирующее значение начального горения равно 400%. Реакция заканчивалась охлаждением с помощью воды в точке на расстоянии около 4,9 м (16 футов) в направлении плоскости ввода исходного сырья.

Пример 41 - это контрольный прогон, при котором сырье для получения сажи вводилось почти перпендикулярно в зону 12 со скоростью 2,65 · 10^-5 м³/с (25,1 галлон/ч) через три отверстия 32 с диаметрами 0,102 см (0,04 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов. Полученная при этом углеродная сажа имела индекс поглощения йода 92 мг/г и коэффициент DBPA 142 см³/100 г. Значение полного сгорания равно 32%.

Рабочие условия примера 42 похожи на условия примера 41 с тем отличием, что в примере 42 уровень полного сгорания повысили до 35% за счет снижения скорости потока исходного сырья до 2,407 · 10^-5 м³/с (22,8 галлон/ч). Сырье для получения сажи вводилось почти перпендикулярно в поток горячих сжигаемых газов через 3 отверстия 32 с диаметрами 0,091 см (0,036 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов первой ступени. Полученная углеродная сажа имела индекс поглощения йода 117 мг/г и коэффициент DBPA 153 см³/100 г.

Рабочие условия примера 43 похожи на условия примера 41 с тем отличием, что в примере 43 уровень полного сгорания снизили до 29,4% за счет ввода вспомогательного углеводорода в качестве оболочки 75 из природного газа, который обволакивал сопла подачи исходного сырья. В данном случае процентное содержание углерода во вспомогательном углеводороде повысили до 5,1% за счет ввода природного газа со скоростью 0,003 SCMS (0,37 KSCFH).

В примере 43 исходное сырье вводилось почти перпендикулярно в поток горячих сжигаемых газов через три отверстия 32 с диаметрами 0,102 см (0,04 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов. Полученная при этом углеродная сажа имела индекс поглощения йода 60 мг/г и коэффициент DBPA 121,8 см³/100 г. Значение SSI, рассчитанное по значениям SAS примеров 41 - 43, меньше нуля, как это видно для случая L в табл. 14.

Рабочие условия примера 44 похожи на условия примера 41 с тем отличием, что уровень полного сгорания снизили в примере 44 до 28,7 % за счет ввода вспомогательного углеводорода в качестве оболочки 75 из газообразного пропана, который обволакивал сопла подачи исходного сырья. Здесь процентное содержание углерода во вспомогательном углеводороде повысили до 8% за счет ввода газообразного пропана со скоростью 0,001 SCMS (0,2 KSCFH).

В примере 44 исходное сырье вводилось почти перпендикулярно в поток горячих сжигаемых газов через три отверстия 32 с диаметрами 0,102 см (0,04 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов. Полученная при этом углеродная сажа имела индекс поглощения йода 49 мг/г и коэффициент DBPA 114 см³/100 г. Значение SSI, рассчитанное по значениям SAS примеров 41, 42 и 44, меньше нуля, как это видно для случая M в табл. 14.

Рабочие условия примера 45 похожи на условия примера 41 с тем отличием, что уровень полного сгорания в примере 45 снизили до 30,5% за счет ввода вспомогательного углеводорода в качестве оболочки 75 из газообразного водорода, который обволакивал сопла подачи исходного сырья. Здесь процентное содержание водорода во вспомогательном углеводороде повысили до 2,1% за счет ввода газообразного водорода со скоростью 0,006 SCMS (0,875 KSCFH).

В примере 45 исходное сырье вводилось почти перпендикулярно в поток горячих сжигаемых газов через три отверстия 32 с диаметрами 0,102 см (0,04 дюйма), которые находились на внешней периферии потока сжигаемых газов. Полученная при этом углеродная сажа имела индекс поглощения йода 77 мг/г и коэффициент DBPA 134 см³/100 г. Значение SSI, рассчитанное по значениям примеров 41, 42 и 45, меньше нуля, как это видно для случая N в табл. 14.

Рассмотренные примеры говорят о том, что при точно определенных условиях начального горения и полного сгорания ввод вспомогательного углеводорода в данное многоступенчатое устройство для получения углеродной сажи производится так, чтобы в реакционную зону вспомогательный углеводород поступал практически непрореагировавшим. В результате получают углеродную сажу с меньшей поверхностью при данном значении уровня полного сгорания по сравнению с той поверхностью, которую получают при обычном вводе исходного сырья независимо от способа ввода сырья или вспомогательного углеводорода.

Из этих же примеров видно, что способ предлагаемого изобретения позволяет получать углеродную сажу с меньшей, чем обычно, структурой при данной поверхности. Описанный здесь способ ввода вспомогательного углеводорода позволяет получать SSI менее нуля.

Хотя предлагаемое изобретение и описано применительно к определенным вариантам, оно ими не ограничивается. Отметим, что специалисты в данной области техники в предложенный способ могут ввести изменения и модификации без отклонения от сущности или объема изобретения.

Формула изобретения

1. Многоступенчатый способ получения печной углеродной сажи, которая характеризуется более низкой, чем обычно, структурой при данной площади поверхности и меньшей, чем обычно, площадью поверхности при данном уровне полного сгорания, в реакторе, имеющем зону сгорания смеси топливо/воздух с получением потока горячих газов, зону инжектирования углеводородного исходного сырья в упомянутый поток горячих газов, реакционную зону термического разложения исходного сырья, находящуюся на участке от примерно точки ввода исходного сырья до примерно точки резкого охлаждения, зоны резкого охлаждения и зоны или зон охлаждения, разделения и восстановления полученной углеродной сажи, отличающийся тем, что вводят по существу непрореагировавший углеводород или водород в реакционную зону, начальный уровень горения и уровень полного горения регулируются таким образом, чтобы степень структурирования сажи |SSI| была меньше нуля, причем указанная SSI определяется формулой
SSI=(SAS_mf-SAS_ah)/|SAS_mf|,
где SASmf представляет собой структурированность поверхности (SAS) углеродной сажи, полученной в данном технологическом процессе при вводе дополнительного сырья;
SAS_mf= Δ(DBP)_mf/Δ (иодное число)mf;
SAS_ah= Δ(DBP)_ah/Δ (иодное число)ah;
|SAS_mf|= абсолютное значение SAS_mf;
SAS_ah представляет собой структурированность поверхности сажи (SAS), полученной в данном технологическом процессе при вводе непрореагировавшего углеводорода или водорода;
Δ (ДВР)_mf - изменение коэффициента ДВРА углеродной сажи при изменении скорости потока исходного сырья и постоянстве всех других рабочих условий процесса;
Δ (иодное число)mf - изменение иодного числа углеродной сажи при изменении скорости потока исходного сырья и постоянстве всех других рабочих условий процесса;
Δ (ДВР)ah - изменение коэффициента ДВРА углеродной сажи при изменении скорости потока непрореагировавшего углеводорода или водорода и постоянстве всех других рабочих условий процесса;
Δ (иодное число)ah - изменение иодного числа углеродной сажи при изменении скорости потока непрореагировавшего углеводорода или водорода и постоянстве всех других рабочих условий процесса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный на первой стадии поток горячих газов является окислителем.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавший углеводород или водород используют в газообразном состоянии.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавший углеводород или водород используют в жидком состоянии.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что уровень начального горения находится в пределах 140 - 1000%.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходное сырье вводят в сжигаемые газы почти в осевом направлении.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходное сырье вводят в сжигаемые газы почти перпендикулярно.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавший углеводород или водород вводят в реакционную зону почти перпендикулярно.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавший углеводород или водород вводят в реакционную зону почти в осевом направлении.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавший углеводород или водород вводят в поток горячих сжигаемых газов почти наклонно.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавший углеводород или водород вводят в зону, которая в осевом направлении простирается на расстоянии примерно 0,5 длины диаметра реактора перед точкой ввода исходного сырья до точки примерно 0,5 длины диаметра реактора после точки ввода исходного сырья.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавший углеводород вводят в таком количестве, чтобы содержание углерода составляло менее 60 мас.% от общего содержания углерода в воздухе, топливе, исходном сырье и непрореагировавшем углеводороде.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавший углеводород вводят в таком количестве, чтобы содержание углерода составляло менее 30 мас.% от общего содержания углерода в воздухе, топливе, исходном сырье и непрореагировавшем углеводороде, а непрореагировавший углеводород находится в газообразной форме.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрореагировавший углеводород вводят в таком количестве, чтобы содержание углерода составляло менее 15 мас.% от общего содержания углерода в воздухе, топливе, исходном сырье и непрореагировавшем углеводороде, а непрореагировавший углеводород находится в газообразной форме.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что водород вводят в таком количестве, чтобы содержание водорода составляло менее 60 мас.% от общего содержания водорода в воздухе, топливе, исходном сырье и водороде.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что водород вводят в количестве, чтобы содержание водорода составляло менее 30 мас.% от общего содержания водорода в воздухе, топливе, исходном сырье и водороде.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что водород вводят в таком количестве, чтобы содержание водорода составляло менее 15 мас.% от общего содержания водорода в воздухе, топливе, исходном сырье и водороде.

Приоритет по признакам:
27.02.91 признаки по п.1: вводят, по существу, непрореагировавший углеводород или водород в реакционную зону...; начальный уровень горения и уровень полного горения регулируются так, чтобы степень структурирования сажи (SSI) была меньше нуля ..., причем указанная SSI определяется формулой SSI = (SAS_mf - SAS_ah)/|SAS_mf| ..., признаки по пп.2 - 13: непрореагировавший углеводород вводят в таком количестве, чтобы содержание углерода составляло менее 30 мас. % от общего содержания углерода...; п.14: непрореагировавший углеводород вводят в таком количестве, чтобы содержание углерода составляло менее 15 мас.% от общего содержания углерода ...;
10.01.92 - признаки по пп.15 - 17.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16