Способ получения сажи

 

1. Способ получения сажи, включающий сжигание топлива с воздухом, подачу в поток продуктов горения углеродсодержащего сырья, термическое разложение сырья с образованием потока сажегоазовых продуктов, подачу в него газообразного окислителя, содержащего свободный кислород, закалку сажегазовых продуктов водой и отделение сажи от газовых продуктов, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода сажи и производительности процесса, поток сажегазовых продуктов после подачи в него окислителя сужают и расширяют при отношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 1,4 - 4 и расходе подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,01 - 0,08 нм³/кг сырья и топлива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразный окислитель предварительно подогревают до 450 - 2000^oС.

3. Способ по п.1, 2, отличающийся тем, что воду для закалки сажегазовых продуктов подают через 0,02 - 0,1 с после подачи газообразного окислителя. Изобретение относится к области производства сажи, а именно к способам получения печной сажи путем термоокислительного разложения жидкого углеводородного сырья. Изобретение может быть использовано для получения полуусиливающих и усиливающих печных саж, применяемых в качестве наполнителя в полимерных композициях для изготовления шин и резино-технических изделий. Известен способ получения сажи, включающий сжигание топлива с воздухом с образованием потока продуктов горения, двухстадийную подачу в него распыленного воздухом температурой 450-800^oС углеводородного сырья, его термоокислительное разложение с образованием сажегазовых продуктов, их закалку путем введения воды и отделение сажи от газовых продуктов [1] В известном способе при получении сажи с заданным уровнем дисперсности нельзя увеличить производительность процесса по сырью, так как при этом на поверхности сажи появляются неразложившиеся углеводороды и снижается ниже допустимого предела показатель качества сажи светопропускание толуольного экстракта. Известен способ получения сажи, включающий сжигание топлива с воздухом с образованием потока продуктов горения, подачу в него углеводородного сырья, дополнительную подачу в смесь сырья с продуктами горения окислителя или продуктов горения топлива с избытком воздуха, термоокислительное разложение сырья с образованием сажегазовых продуктов и их закалку путем введения воды [2] Недостатком известного способа получения сажи является недостаточно высокий выход сажи из сырья, что объясняется протеканием окислительных реакций сырья со свободным кислородом, содержащимся в дополнительно вводимом окислителе или продуктах горения топлива с избытком воздуха. Наиболее близким техническим решением является способ получения сажи, включающий сжигание топлива с воздухом с образованием потока продуктов горения, подачу в него углеродсодержащего сырья и его разложение до образования потока сажегазовых продуктов, подачу в него газообразного окислителя, содержащего свободный кислород, подачу воды для закалки продуктов реакции и отделение сажи от газовых продуктов, в качестве окислителя используют воздух, обогащенный кислородом, или продукты горения топлива с избытком воздуха [3] Введение окислителя в сажегазовые продукты перед их закалкой позволяет регулировать качественные показатели сажи, в частности снижает содержание на поверхности сажевых частиц неразложившихся углеводородов. Однако в связи с тем, что объем окислителя, подаваемого в сажегазовые продукты, значительно меньше их объема, смешивание окислителя с сажегазовыми продуктами идет недостаточно эффективно и наряду с термоокислительной обработкой сажи и удалением с ее поверхности неразложившихся углеводородов из-за больших локальных концентраций свободного кислорода происходит локальное окисление сажи. При увеличении производительности процесса по сырью в известном способе для обеспечения допустимого содержания неразложившихся углеводородов на поверхности сажи необходимо увеличить расход подаваемого с окислителем свободного кислорода в расчете на сумму масс сырья и топлива. В результате снижается выход сажи из сырья. Целью изобретения является повышение выхода сажи и производительности процесса по сырью. Поставленная цель достигается тем, что способ получения сажи включает сжигание топлива с воздухом, подачу в поток продуктов горения углеродсодержащего сырья, термическое разложение сырья с образованием потока сажегазовых продуктов, подачу в него предварительно подогретого до 450-2000^oС газообразного окислителя, содержащего свободный кислород, при расходе свободного кислорода 0,01-0,08 нм³/кг сырья и топлива, сужение и расширение потока сажегазовых продуктов при соотношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 1,4-4, закалку сажегазовых продуктов водой через 0,02-1,0 с после подачи окислителя и отделение сажи от газовых продуктов. Отличие состоит в том, что поток сажегазовых продуктов после подачи в него окислителя сужают и расширяют при соотношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 1,4-4 и расходе подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,01-0,08 нм³/кг сырья и топлива. Дополнительно газообразный окислитель предварительно подогревают до 450-2000^oC и воду для закалки сажегазовых продуктов подают через 0,02-1,0 с после подачи газообразного окислителя. Сужение и расширение потока сажегазовых продуктов непосредственно после подачи в него окислителя, содержащего свободный кислород, в качестве которого может быть использован воздух, воздух, обогащенный кислородом, или продукты горения топлива с избытком воздуха, приводит к сильной интенсификации процесса смешивания сажегазовых продуктов с окислителем. В результате этого содержащийся в окислителе свободный кислород равномерно распределяется в сажегазовых продуктах и расходуется преимущественно на окисление неразложившихся углеводородов и на сжигание части CO и H₂, содержащихся в сажегазовых продуктах, при этом дополнительно увеличивается температура сажегазовых продуктов и интенсифицируется процесс термообработки сажи, при этом окисления сажи практически не происходит. Эта дает возможность наряду с увеличением производительности процесса по сырью за счет уменьшения удельного расхода подаваемого в процесс воздуха в расчете на сумму масс сырья и топлива повысить выход сажи из сырья. Поток сажегазовых продуктов после введения в него окислителя сужают и затем снова расширяют при соотношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 1,4-4. При соотношении скоростей ниже 1,4 смешивание потоков идет недостаточно эффективно, и в результате неравномерности термообработки на поверхности сажи появляются неразложившиеся углеводороды и снижается выход сажи из сырья. Увеличение соотношения скоростей выше 4 также нецелесообразно, т.к. при этом резко возрастает гидравлическое сопротивление реактора для осуществления процесса получения сажи. При осуществлении способа необходимо, чтобы расход подаваемого с окислителем свободного кислорода составлял 0,01-0,08 нм³/кг сырья и топлива. Расход кислорода, отнесенный к сумме масс сырья и топлива, характеризует его соотношение с расходом сажегазовых продуктов, поскольку при получении сажи расход сажегазовых продуктов является функцией расхода сырья и топлива в процесс. При подаче свободного кислорода с окислителем в количестве менее 0,01 нм³/кг сырья и топлива термоокислительные процессы идут недостаточно эффективно и на поверхности сажевых частиц появляются неразложившиеся углеводороды. Подача свободного кислорода с окислителем в количестве более 0,08 нм³/кг сырья и топлива приводит к локальному выгоранию сажи в сажегазовых продуктах и снижению выхода сажи из сырья. Желательно использовать окислитель предварительно подогретым до 450-2000^oC. Предварительный подогрев окислителя позволяет интенсифицировать процессы его смешения с потоком сажегазовых продуктов и термоокислительной обработки сажи и за счет этого дополнительно увеличивается выход сажи из сырья и может повышаться производительность процесса по сырью. Подогрев окислителя может осуществляться в специальных устройствах путем теплообмена через стенку. Окислитель с высокой температурой может быть получен путем сжигания дополнительного топлива с избытком воздуха, при этом в качестве окислителя используют высокотемпературные продукты горения топлива. Увеличение температуры окислителя более 2000^oС приводит к росту затрат на футеровку устройства для подачи окислителя в поток сажегазовых продуктов. При осуществлении способа целесообразно также воду для закалки продуктов реакции подавать через 0,02-0,1 с после подачи окислителя. Пределы времени от момента подачи окислителя до подачи воды определены экспериментально и обеспечивают полноту термоокислительной обработки сажи и удаление с ее поверхности неразложившихся углеводородов. Увеличение времени более 0,1 с приводит к увеличению удельной адсорбционной поверхности сажи за счет взаимодействия сажевых частиц с CO₂ и H₂O, содержащимися в продуктах реакции. На фиг.1 представлен продольный разрез реактора для осуществления предлагаемого способа получения сажи, на фиг.2 разрез по А-А на фиг.1. Реактор для получения сажи включает корпус 1, в котором последовательно и соосно расположены воздушная камера 2, втулка 3 с отверстиями 4, камера горения 5, реакционная камера 6, сопло 7 и камера термообработки 8. Воздушная камера 2 снабжена патрубком 9 для подачи воздуха. На передней стенке 10 воздушной камеры 2 параллельно продольной оси реактора и на равном расстоянии от нее смонтированы патрубки 11, по продольной оси которых установлены топливные горелки 12. Распылители 13 топливных горелок 12 установлены соосно внутри отверстий 4 втулки 3 у ее входного торца. На передней стенке 10 воздушной камеры 2 по продольной оси реактора установлена сырьевая форсунка 14. Распылитель 15 сырьевой форсунки 14 установлен заподлицо с выходным торцом 16 втулки 3. У входного торца 17 реакционной камеры 6 радиально установлены сырьевые форсунки 18. Сырьевые форсунки 14 и 18 соединены с источниками (на рисунке не показаны) для подачи под давлением сырья и воздуха для его распыления. В конце реакционной камеры 6 в тангенциальных патрубках 19 на корпусе 1 реактора расположены горелочные туннели 20, тангенциально соединенные с реакционной камерой 6 у входного торца 21 сопла 7. На крышках 22 тангенциальных патрубков 19 по их продольной оси смонтированы патрубки 23, по продольной оси которых установлены топливные горелки 24. Распылители 25 топливных горелок 24 установлены соосно внутри горелочных туннелей 20 у их входного торца. Топливные горелки 24 соединены с источниками (на рисунке не показаны) для подачи под давлением топлива и воздуха для его сжигания. В конце камеры термообработки 8 радиально установлены водяные форсунки 26. Втулка 3, камера горения 5, реакционная камера 6, сопло 7, камера термообработки 8 и горелочные туннели 20 образованы футеровкой 27, выполненной и огнеупорных изделий, изготовленных и муллитокорунда, корунда или двуокиси циркония. Предлагаемый способ получения сажи осуществляется следующим образом. Предварительно подогретый до 450-800^oC воздух через патрубок 9 поступает в воздушную камеру 2, затем в отверстия 4 втулки 3 и смешивается с топливом, подаваемым в топливные горелки 12. Смесь топлива с воздухом сжигается в отверстиях 4 втулки 3 и в камере горения 5 с образованием потока продуктов горения. В поток продуктов горения через форсунку 14 подают 25-60% масс, подогретого до 220-300^oC сырья, распыленного нагретым до 450-800^oС воздухом. В качестве сырья используют продукты переработки нефти или каменноугольной смолы или их смеси. За счет тепла продуктов горения и частичного окисления содержащимся в них свободным кислородом все углеводородное сырье разлагается с образованием потока сажегазовых продуктов, который затем поступает в реакционную камеру 6. В начале реакционной камеры 6 в поток сажегазовых продуктов через форсунки 18 подают вторую часть распыленного нагретым до 450-800^oС воздухом сырья, которая термически разлагается в реакционной камере с отложением углерода на поверхности образовавшихся в результате разложения первой части сырья сажевых частиц. При осуществлении предлагаемого способа для получения сажи с высоким уровнем дисперсности сырье может подаваться в продукты горения топлива в одну ступень: либо через аксиальную форсунку, либо через радиальные сырьевые форсунки. При использовании в качестве окислителя воздуха его подают в туннели 20 предварительно подогретым до 450-800^oС. При использовании в качестве окислителя продуктов горения в топливные горелки 24 подают дополнительное топливо и сжигают его с предварительно подогретым до 450-800^oС воздухом. Расход свободного кислорода, подаваемого с окислителем, составляет 0,01-0,08 нм³/кг сырья и топлива. Окислитель с температурой 450-2000^oС тангенциально подают в конце реакционной камеры в поток сажегазовых продуктов, затем поток сужают в сопле 7 и расширяют в камере термообработки 8. За счет физического тепла окислителя, а также за счет повышения температуры сажегазовых продуктов при частичном окислении содержащихся в них СО и Н₂ свободным кислородом, содержащимся в окислителе, в сопле 7 и камере термообработки 8 происходит удаление неразложившихся углеводородов с поверхности сажевых частиц. В конце камеры термообработки через 0,02-0,1 с после введения окислителя осуществляется закалка продуктов реакции путем впрыскивания воды через форсунки 26. Охлажденные сажегазовые продукты выводятся из реактора и поступают в систему аппаратов для отделения сажи от газообразных продуктов реакции. Пример 1. Опыт проводят на опытно-промышленном реакторе, имеющем следующие конструктивные размеры. Диаметр отверстий втулки 200 мм, длина втулки 640 мм. Диаметр камеры горения 800 мм, длина камеры горения 125 мм. Диаметр реакционной камеры 600 мм, длина реакционной камеры 4000 мм. Диаметр сопла 590 мм, длина сопла 230 мм. Диаметр камеры термообработки - 600 мм, длина камеры термообработки 5500 мм. В топливные горелки реактора подают топливо (пропан-бутановую смесь) в количестве 120 нм³/ч. Для сжигания топлива подают нагретый до 470^oC воздух в количестве 8100 нм³/ч. В продукты горения топлива аксиально подают первую часть (40% мас) подогретого до 220^oС сырья (смесь антраценового масла и термогазойля в массовом соотношении 20:80) в количестве 1600 кг/ч и распыляют его с помощью нагретого до 650^oС воздуха, подаваемого в количестве 400 нм³/ч. За счет тепла продуктов горения, а также в результате частичного окисления содержащимся в продуктах горения свободным кислородом сырье разлагается с образованием сажегазовых продуктов. В поток сажегазовых продуктов радиально подают вторую часть (60% мас) сырья в количестве 2200 кг/ч и распыляют его нагретым до 650^oС воздухом, подаваемым в количестве 600 нм³/ч. Вторая часть сырья разлагается в реакционной камере при температуре 1400^oС. В поток сажегазовых продуктов тангенциально подают подогретый до 470^oС окислитель-воздух в количестве 1600 нм³/ч. Расход подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,082 нм³/кг сырья и топлива. Поток сажегазовых продуктов после введения в него окислителя сужают в сопле и затем расширяют. Соотношение скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 1,2. Окислитель смешивается в сопле с потоком сажегазовых продуктов и полученная смесь поступает в камеру термообработки, где при температуре 1445^oC происходит удаление неразложившихся углеводородов с поверхности сажи. Через 0,11 с после подачи окислителя в продукты реакции подают нагретую до 100^oС воду, закаливают продукты реакции до 700-850^oС и подают в аппараты для отделения сажи от газовых продуктов. Полученную сажу анализируют по ГОСТ 7885-77, светопропускание толуольного экстракта сажи определяют по ТУ38 11562-77 (изменение N 3), удельную поверхность по адсорбции СТАВ определяют по ТУ38 11562-77 (изменение N 2), йодное число определяют по стандарту СЭВ N 2129-80. Выход сажи из сырья и топлива определяют расчетом по материальному балансу процесса. Пример 2. Опыт проводят аналогично описанному в примере 1. Диаметр сопла 550 мм, длина камеры термообработки 5000 мм. Топливо подают в количестве - 125 нм³/ч, воздух на сжигание топлива в количестве 8150 нм³/ч. Аксиально подают 1650 кг/ч сырья. Окислитель воздух подают в сажегазовые продукты в количестве 1580 нм³/ч. Расход подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,08 нм³/кг сырья и топлива. Соотношение скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением - 1,4. Время от подачи окислителя в сажегазовые продукты до подачи воды на закалку 0,1 с. Пример 3. Опыт проводят аналогично описанному в примере 1. Диаметр сопла 400 мм, длина камеры термообработки 4000 мм. Топливо подают в количестве 130 нм³/ч, воздух на сжигание топлива - в количестве 8360 нм³/ч. Аксиально подают 1800 кг/ч сырья. Воздух подают в сажегазовые продукты в количестве 800 нм³/ч. Расход подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,039 нм³/кг сырья и топлива. Соотношение скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 2,5. Время от подачи окислителя в сажегазовые продукты до подачи воды на закалку 0,06 с. Пример 4. Опыт проводят аналогично описанному в примере 1. Диаметр сопла 310 мм, длина камеры термообработки 1500 мм. Топливо подают в количестве 135 нм³/ч, воздух на сжигание топлива в количестве 8260 нм³/ч. Аксиально подают 1900 кг/ч сырья. Воздух подают в сажегазовые продукты в количестве 500 нм³/ч. Расход подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,025 нм³/кг сырья и топлива. Соотношение скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 4,0. Время от подачи окислителя в сажегазовые продукты до подачи воды на закалку 0,02 с. Пример 5. Опыт проводят аналогично описанному в примере 4. Диаметр сопла 300 мм. Соотношение скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 4,3. Пример 6. Опыт проводят аналогично описанному в примере 3. Окислитель воздух подают в сажегазовые продукты подогретым до 450^oС. Пример 7. Опыт проводят аналогично описанному в примере 3. Аксиально подают в реактор 1850 кг/ч сырья. Окислитель воздух подают в сажегазовые продукты подогретым до 550^oС. Пример 8. Опыт проводят аналогично описанному в примере 3. Аксиально подают 1900 кг/ч сырья. Окислитель воздух подают в сажегазовые продукты подогретым до 800^oС. Пример 9. Опыт проводят аналогично описанному в примере 3. Аксиально подают 1940 кг/ч сырья. В качестве окислителя используют продукты горения топлива (пропан-бутановая смесь), подаваемого в грелочные туннели в количестве 6 нм³/ч, с нагретым до 740^oС воздухом, подаваемым в количестве 800 нм³/ч. Концентрация кислорода в смесителе 16% об. температура окислителя 1000^oС, расход окислителя в сажегазовые продукты 830 нм³/ч. Расход подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,03 нм³/кг сырья и топлива. Пример 10. Опыт проводят аналогично описанному в примере 9. Аксиально подают 1900 кг/ч сырья. Используют продукты горения топлива, подаваемого в количестве 12 нм³/ч, с воздухом, подаваемым в количестве 800 нм³/ч. Концентрация кислорода в окислителе -11% об. температура окислителя 1450^oС, расход окислителя 860 нм³/ч. Расход подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,022 нм³/кг сырья и топлива. Пример 11. Опыт проводят аналогично описанному в примере 9. Аксиально подают 1800 кг/ч сырья. Используют продукты горения топлива, подаваемого в количестве 17 нм³/ч, с воздухом, подаваемым в количестве 800 нм³/ч. Концентрация кислорода в окислителе 8% об. температура окислителя 1800^oС, расход окислителя 880 нм³/ч. Расход подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,015 нм³/кг сырья и топлива: Пример 12. Опыт проводят аналогично описанному в примере 9. Аксиально подают 1700 кг/ч сырья. Используют продукты горения топлива, подаваемого в количестве 20 нм³/ч с воздухом, подаваемым в количестве 800 нм³/ч. Концентрация кислорода в окислителе 6% об. температура окислителя - 2000^oС, расход окислителя 895 нм³/ч. Расход подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,01 нм³/кг сырья и топлива. Результаты опытов, выполненных в соответствии с предлагаемым способом, представлены в таблице 1,2 в сравнении с прототипом. Как видно из полученных данных, сужение и расширение потока сажегазовых продуктов после подачи в него окислителя при соотношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 1,4-4 при расходе подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,024-0,08 нм³/кг сырья и топлива (опыт 2-4, табл.1), позволяет без изменения конструктивных размеров реактора на 2-8% увеличить производительность по сырью и за счет уменьшения удельного расхода воздуха в процессе на 2,5-8% увеличить выход сажи из сырья. Кроме того, при этом за счет уменьшения времени от ввода окислителя до подачи воды на закалку, при котором обеспечивается получение сажи с допустимым содержанием на поверхности неразложившихся углеводородов, в 1,1-3,5 раза уменьшаются размеры камеры термообработки, что приводит к уменьшению затрат на огнеупорную футеровку реактора. При соотношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением ниже 1,4 и расходе подаваемого с окислителем свободного кислорода больше 0,08 нм³/кг сырья и топлива (опыт 1) увеличение выхода сажи в сравнении с прототипом незначительное. При соотношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов более 4 (опыт 5) сильно увеличивается гидравлическое сопротивление реактора (более 55 кПа), в результате чего растут затраты на компримирование воздуха, подаваемого в реактор. Повышение температуры окислителя воздуха с 450 до 800^oС (опыты 6-8, табл. 2) позволяет без изменения конструктивных размеров реактора получать качественную сажу при увеличенной на 2,5% производительности по сырью. Использование в качестве окислителя продуктов горения топлива с избытком воздуха при температуре окислителя до 2000^oС (опыты 9-12, табл.2) также позволяет в сравнении с прототипом увеличить выход сажи из сырья и производительность процесса по сырью. Однако при этом за счет уменьшения концентрации кислорода в окислителе снижается расход подаваемого с окислителем свободного кислорода в расчете на сырье и топливо. При расходе свободного кислорода 0,01 нм³/кг сырья и топлива (опыт 12) окислительные процессы на стадии термообработки идут недостаточно эффективно и показатель качества сажи-светопропускание толуольного экстракта находится на нижнем пределе. Таким образом, предлагаемый способ получения сажи за счет интенсификации процесса термообработки сажи и уменьшения расхода подаваемого в сажегазовые продукты с окислителем свободного кислорода позволяет повысить выход из сырья и производительность процесса по сырью.

Формула изобретения

1. Способ получения сажи, включающий сжигание топлива с воздухом, подачу в поток продуктов горения углеродсодержащего сырья, термическое разложение сырья с образованием потока сажегазовых продуктов, подачу в него газообразного окислителя, содержащего свободный кислород, закалку сажегазовых продуктов водой и отделение сажи от газовых продуктов, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода сажи и производительности процесса, поток сажегазовых продуктов после подачи в него окислителя сужают и расширяют при отношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 1,4 4 и расходе подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,01 0,08 нм³/кг сырья и топлива. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразный окислитель предварительно подогревают до 450 2000^oС. 3. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что воду для закалки сажегазовых продуктов подают через 0,02 0,1 с после подачи газообразного окислителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---