Сажа и многоступенчатый способ ее получения
Изобретение может быть использовано в химической промышленности при изготовлении пигментов, наполнителей для резин и пластмасс. На первую ступень реактора вводят поток сырья, объединяют его с потоком горячих газов. К полученному предшественнику, состоящему из первичной сажи в реакционном потоке, добавляют второй поток сырья в количестве 15% от общего количества сырья. Дополнительно до и/или во время введения второго потока сырья вводят, по крайней мере, одно вещество, содержащее, по крайней мере, один элемент Группы IA или Группы IIA. После образования предшественника не вводят ни окислителя, ни топлива. Первый поток сырья вводят в первой температурной зоне, второй - во второй температурной зоне, разность температур между которыми не менее 200°С. Место ввода первого потока сырья приблизительно на 1,6 м выше места ввода второго потока сырья. Полученная сажа имеет ДБФ 30-150 см3/100 г, площадь внешней поверхности 10-180 м2/г, что значительно больше площади внешней поверхности сажи с таким же значением ДБФ, полученной при одностадийном или многостадийном введении потока сырья с или без введения элемента Группы IA или Группы IIA. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 1 табл. 1 ил.
Настоящая заявка претендует согласно 35 U.S.C. §120 на приоритет по патентной заявке США № 10/838530, поданной 4 мая 2004 г., которая полностью включена в данную заявку посредством ссылки.
Уровень техники
Настоящее изобретение относится к саже и способам ее получения. Конкретнее, настоящее изобретение относится к уникальным формам сажи и к нескольким многостадийным способам получения сажи.
Настоящее изобретение относится к производству сажи типа печных саж, применяющихся в качестве наполнителей, пигментов и упрочняющих наполнителей в резинах и пластмассах. В целом, печной способ получения этих саж включает крекинг и/или неполное сожжение такого углеводородного сырья, как природный газ или продукт цикла каталитического крекинга, в закрытой конверсионной зоне для производства сажи. Сажу, увлекаемую газами, исходящими из конверсионной зоны, затем охлаждают и собирают подходящими способами, обычно используемыми в данной отрасли. Однако оказывается, что весьма дорого получать более структурированные сажи, имеющие большую площадь поверхности.
Патент США № 5190739, авторы MacKay и др., относится, в частности, к способу получения саж, менее структурированных по сравнению с обычными при данной площади поверхности, и площади поверхности, меньшей обычной при данном общем уровне сожжения. Способ может включать использование многоступенчатой печи, где поток горячих газов первой ступени подпитывают вторым источником углеводородов. Некоторые осуществления патента '739 также относятся к использованию калия для получения саж низкой структурности. Однако суммарное количество вспомогательных углеводородов, используемых в патенте '739, значительно меньше количеств, используемых на первой стадии. Более того по патенту '739 можно по выбору использовать дополнительное топливо и/или кислород для достижения большего сожжения при введении вспомогательных углеводородов. Кроме того, по патенту '739 не существует значительной разницы в зонных температурах между зоной, куда вводят первый поток сырья, и зоной, куда вводят вспомогательный поток сырья.
Патент США № 4383973, автор Cheng, относится к способу, который включает два последовательных реактора сажи, где один из реакторов предназначен для сажи высокой структурности, а второй - для сажи низкой структурности. В одном осуществлении патента '973 реакторы явно соединены друг с другом последовательно. Однако по этому способу во второй поток сырья вводят дополнительные количества воздуха и топлива, и не существует значительной разницы в температуре между двумя зонами введения потоков сырья. Далее отсутствует частичное охлаждение, происходящее перед полным охлаждением. Патент '973 далее указывает, что отсутствует охлаждение, происходящее между первой и второй зонами, образующими сажу, и, кроме того, что можно ввести калий в зону высокой структурности в количестве 10 миллионных долей или более. Более того при интенсивном сожжении, происходящем в каждой зоне введения потока сырья, отсутствовала бы какая-либо существенная разница в зонной температуре между первой зоной, где образуется сажа высокой структурности, и зоной, где образуется сажа низкой структурности.
В патенте США № 4976945 описан способ получения сажи, по которому в реакторе получения сажи для регулирования структурности используют различные количества щелочного металла, такого как калий. Патент '945 указывает, что соединение щелочного металла и/или соединение щелочноземельного металла можно добавлять в количестве от 500 до 50000 миллионных долей относительно исходного углеводородного материала. Патент '945 не относится к многостадийному способу получения сажи и не включает частичное охлаждение, происходящее перед полным охлаждением. Патент '945 далее указывает, что соединение щелочного металла особенно эффективно для производства сажи, где абсорбция ДБФ не превышает 90 см3/100 г.
Патент США № 4822588, авторы Gravely и др., относится к реактору получения сажи, который имеет первую реакционную зону и вторую реакционную зону, которые соединены последовательно. По этому способу на второй ступени вводят дополнительный углеродсодержащий топливный поток для получения второй реакционной смеси. По этому способу задача заключалась в том, чтобы в первой реакционной зоне сажа, по существу, не образовывалась. Также этот способ не включал использование щелочного металла или щелочноземельного метала.
Соответственно существует необходимость разработать новый и улучшенный способ получения саж, которые обладают улучшенной или увеличенной структурностью с увеличенной площадью поверхности.
Все упомянутые здесь патенты и публикации включены во всей полноте в данную заявку в качестве ссылки.
Краткое описание чертежей
На чертеже изображено поперечное сечение реактора сажи, который можно использовать по настоящему изобретению.
Сущность изобретения
Таким образом, отличительная черта настоящего изобретения заключается в разработке способа получения сажи с большой площадью поверхности и высокой структурностью.
Другая отличительная черта настоящего изобретения заключается в разработке рентабельного способа получения сажи.
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения будут частично изложены в описании, которое следует далее, и частично будут поняты из описания, или могут быть понятны из практического применения настоящего изобретения. Задачи и другие преимущества настоящего изобретения будут реализованы и достигнуты с помощью элементов и комбинаций, на которые обращено особое внимание в описании и прилагаемой формуле изобретения.
Для достижения этих и других преимуществ и в соответствии с целями настоящего изобретения, как здесь осуществлено и описано в общих чертах, настоящее изобретение относится к способу получения продукта сажи. Способ включает введение дающего сажу потока сырья на первую ступень реактора сажи и объединение этого потока сырья с потоком горячих газов, что ведет к образованию предшественника, который по существу представляет собой первичную сажу, и, не обязательно, побочных продуктов. Затем второй дающий сажу поток сырья впоследствии вводят к предшественнику для того, чтобы, по крайней мере, частично охладить реакционный поток, содержащий первичную сажу, и, кроме того, способ включает полное охлаждение, что ведет к образованию сажи как товарного продукта.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к способу получения продукта сажи, который включает введение дающего сажу потока сырья на первую ступень реактора сажи и объединение этого потока сырья с потоком горячих газов, что ведет к получению предшественника сажи. Предшественник содержит первичную сажу. Затем согласно способу второй дающий сажу поток сырья вводят к предшественнику, где второй дающий сажу поток сырья содержит, по крайней мере, 15 массовых % общей массы дающего сажу потока сырья, используемого по ходу всего способа.
Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения продукта сажи, который включает введение первого дающего сажу потока сырья на первую ступень реактора сажи и объединение этого потока сырья с потоком горячих газов, что ведет к образованию предшественника, который содержит первичную сажу. Затем согласно способу второй дающий сажу поток сырья вводят к предшественнику, где после образования предшественника не используют ни источник окисления, ни источник топлива.
Более того настоящее изобретение относится к способу получения продукта сажи, который включает образование предшественника, который содержит первичную сажу, в первой температурной зоне и затем образование продукта сажи из данного предшественника во второй температурной зоне, перед зоной охлаждения. Первая температурная зона и вторая температурная зона имеют разницу в температуре, составляющую 200°С или более.
Для каждого из этих способов справедливо, что способ может включать введение, по крайней мере, одного вещества, содержащего, по крайней мере, один элемент Группы IA или Группы IIA, в одно или более положение способа.
Также настоящее изобретение относится к саже, имеющей диапазон ДБФ от примерно 30 до примерно 150 см3/100 г при суммарном содержании элемента Группы IA или Группы IIA от примерно 50 до примерно 5000 миллионных долей. Сажа может иметь другие физические и химические показатели, включая следующие, но не ограничиваясь ими: выщелачиваемое содержание элемента Группы IA или Группы IIA, степень пористости и желаемую t-площадь, такую как t-площадь в диапазоне от 10 до 180 м2/г. Другие характеристики описаны здесь далее.
Необходимо понимать, что как предшествующее общее описание, так и нижеследующее подробное описание являются только иллюстративными и пояснительными и предназначены для дополнительного объяснения настоящего изобретения, как сформулировано в формуле изобретения.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
Настоящее изобретение относится к продуктам сажи, а также к различным способам получения продуктов сажи. В предпочтительных осуществлениях способы получения продукта сажи включают использование многоступенчатого реактора сажи. Более предпочтительно, многоступенчатый реактор имеет, по крайней мере, две ступени (две, три, четыре или больше ступеней), где, как правило, вводят, по крайней мере, два потока сырья (например, два, три, четыре или большее число потоков сырья). Продукт сажи представляет собой предпочтительно печную сажу.
Более подробно, в одном осуществлении настоящего изобретения настоящее изобретение относится к способу получения продукта сажи, который включает введение дающего сажу потока сырья на первую ступень реактора сажи. Сажеобразующий поток сырья объединяют с потоком горячих газов, что ведет к образованию предшественника. Предшественник представляет собой или, по крайней мере, содержит первичную сажу. Второй дающий сажу поток сырья, кроме того, затем вводят в реактор сажи за первой ступенью по ходу системы, и данный второй дающий сажу поток сырья предпочтительно вводят в присутствии предшественника, образовавшегося на первой ступени. В данном способе второй дающий сажу поток сырья, по крайней мере, частично охлаждает протекающие реакции. Затем ниже по ходу может происходить полное охлаждение, где реакции образования углерода полностью прекращаются или подавляются, и образуется продукт сажи.
Для целей данного способа, а также других способов, описанных здесь, можно использовать многоступенчатый реактор сажи, такой как описанные в патенте США № 4383973, патенте США № 5190739, патенте США № 5877251, патенте США № 6153684, или патенте США № 6403695, которые все включены здесь в своей полноте как ссылки. Таким образом, в настоящем изобретении можно использовать многоступенчатый печной способ.
Дающим сажу потоком сырья может быть любой общепринятый сажеобразующий поток сырья, который приводит к образованию сажи. Например, можно использовать любой углеводородный материал. Подходящим потоком сырья может быть любой дающий сажу углеводородный поток сырья, который способен легко переходить в газовую фазу в условиях реакции. Например, можно использовать такие ненасыщенные углеводороды, как ацетилен; такие олефины, как этилен, пропилен, бутилен; такие ароматические соединения, как бензол, толуол и ксилол; некоторые насыщенные углеводороды; и другие углеводороды, такие как керосины, нафталины, терпены, этиленовые дегти, циклические ароматические компоненты и тому подобное.
Что касается потока горячих газов, который объединяют с дающим сажу потоком сырья, то в качестве потока горячих газов можно также принять горячие газы горения, которые можно генерировать взаимодействием твердого, жидкого и/или газообразного топлива с подходящим потоком окислителя, такого как воздух, кислород, смеси воздуха и кислорода или им подобного, не ограничиваясь указанными. Альтернативно предварительно нагретый поток окислителя может быть пропущен сквозь систему без добавления жидкого или газообразного топлива. Примеры топлива, подходящего с целью использования для взаимодействия с потоком окислителя для генерации горячих газов, включают любые легковоспламеняемые газовые, паровые или жидкие потоки, такие как природный газ, водород, монооксид углерода, метан, ацетилен, спирт или керосин. В целом, предпочтительно использовать топлива, имеющие высокое содержание углеродсодержащих компонентов и, особенно, углеводороды. Соотношение воздуха и топлива, используемое для получения сажи по настоящему изобретению, может составлять от 1:1 (стехиометрическое соотношение) до бесконечности. Как указано, для облегчения генерации горячих газов поток окислителя может быть предварительно нагрет.
Общий способ образования сажи путем использования многоступенчатого реактора и получение подходящих горячих газов для образования сажи описаны в вышеопределенных патентах, которые включены здесь в качестве ссылки, и могут быть применены по настоящему изобретению с изменениями, описанными здесь. В одном осуществлении настоящего изобретения площадь поверхности доводится до максимума поддержанием высокой температуры, предпочтительно после введения первого дающего сажу потока сырья, например, при отсутствии охлаждения водой, посредством быстрого смешения горячих газов с дающим сажу потоком сырья и/или посредством проведения смешения на коротком участке и тому подобное.
Настоящее изобретение можно осуществить на практике, используя любой производящий сажу реактор. На чертеже, например, показано поперечное сечение одного примера такого реактора. Реакторы такого типа обычно используют топочный газ, который смешивают с окислителем, таким как воздух. Газовую смесь, как правило, вводят в камеру сгорания и воспламеняют любым подходящим способом. Газовый поток направлен направо (направление А) на чертеже. Сразу после воспламенения горячая газовая смесь может быть направлена через реактор и приведена в контакт с углеводородным потоком сырья, подходящим для получения сажи. На чертеже и просто в качестве примера топливо можно ввести на участке 1, а окислитель можно ввести на участке 2. Возможны и другие участки. Первый участок 3 (один или больше) представляет собой пример точки введения первого дающего сажу потока сырья. Второй и третий участки 3 представляют собой примеры точек введения второго дающего сажу потока сырья. Участок 4 представляет собой пример походящего участка агента частичного охлаждения, такого как вода. Участок 5 представляет собой подходящий участок для полного охлаждения. Двойные параллельные линии указывают на то, что реактор может быть любой длины. Различные числа при D отражают разные длины реактора. D1 по D8 могут представлять собой подходящий диаметр и могут быть одинаковыми или разными. Например, D2 может быть меньше, чем D1 и D8, а D1 и D8 могут быть одинаковыми или разными. Зона L1 или зона L2 представляют собой примеры первой температурной зоны, а зона L3 представляет собой пример второй температурной зоны. Если используют агент частичного охлаждения, например, в точке 4, то тогда первая температурная зона типично представляет собой L1.
Как правило, дающий сажу поток сырья можно вводить в реактор с помощью множества потоков 3 (в L2), показанных на чертеже, которые проникают во внутренние области потока горячего газа горения, для обеспечения высокой скорости смешения и рассечения горячих газов горения и дающего сажу потока сырья. Это обеспечивает быстрое и полное разложение потока сырья и превращение его в первичный сажевый материал.
Предшественник, образовавшийся по способам, описанным здесь, содержит первичную сажу и может содержать такие другие компоненты, как неиспользованное топливо или окислители, или продукты горения, и может также содержать другие компоненты, без ограничения следующими: неорганические вещества, металлы, соли и оксиды металлов. Главным образом предшественник представляет собой продукт сажи. Например, содержание сажи в предшественнике по массе составляет от 80% до 90% и, более предпочтительно, от 95% до 99% или более (например, 100%).
Что касается последующего введения второго дающего сажу потока сырья к предшественнику, содержащему первичную сажу, то данный второй дающий сажу поток сырья добавляют дальше по ходу за первой ступенью в таком количестве, чтобы, по крайней мере, частично охладить реакции, которые еще продолжают протекать после первой ступени. Для целей настоящего изобретения частичное охлаждение реакций означает, что данное введение второго дающего сажу потока сырья не представляет собой полное охлаждение реакций, но приводит к охлаждению только части реакций. Предпочтительно, введение второго дающего сажу потока сырья не охлаждает полностью реакции. Второй дающий сажу поток сырья может быть потоком сырья того же типа или потоком сырья, отличным от дающего сажу потока сырья, вводимого на первую ступень.
Вышеуказанные патенты дают различные условия образования сажи и исходные количества, которые можно применять для образования предшественника.
Дающий сажу поток сырья, вводимый на каждую ступень, можно вводить любым общепринятым способом, как например, в виде одного потока или нескольких потоков, и введение потока сырья может происходить с любой скоростью. Если используют несколько потоков, то скорости потоков могут быть одинаковыми или разными.
Предпочтительно, последующее введение дающего сажу потока сырья к предшественнику производят с использованием множества потоков. Можно использовать любой способ введения второго дающего сажу потока сырья.
После того как смесь горячих газов горения и дающего сажу потока сырья охлаждена, охлажденные газы поступают в расположенное далее по ходу любое общепринятое приспособление охлаждения и сепарации, где отделяется сажа. Отделение сажи от газового потока легко производится с использованием такого общепринятого приспособления, как аппарат для осаждения, циклонный сепаратор или рукавный фильтр. Что касается полного охлаждения реакций с образованием конечного продукта сажи, то можно использовать любой известный специалистам в данной области общепринятый способ охлаждения реакции на участке, находящемся далее по ходу за местом введения второго дающего сажу потока сырья. Например, можно вводить охлаждающую жидкость, которая может представлять собой воду или другие подходящие жидкости для остановки химической реакции.
При осуществлении настоящего изобретения способ, кроме того, включает введение, по крайней мере, одного вещества, которое представляет собой, или содержит, по крайней мере, один элемент (или его ион) Группы IA или Группы IIA Периодической таблицы. Предпочтительно, вещество содержит, по крайней мере, один щелочной металл или щелочно-земельный металл. Примеры включают литий, натрий, калий, рубидий, цезий, франций, кальций, барий, стронций или радий, или их комбинации. В веществе могут присутствовать любые смеси одного или большего числа этих компонентов. Вещество может быть твердым, раствором, дисперсией, газом или их любой комбинацией. Можно использовать более одного вещества, имеющего один и тот же или иной металл Группы IA или Группы IIA. Если используют сложные вещества, то вещества можно добавлять совместно, отдельно, последовательно или на различных участках реакции. Для целей настоящего изобретения вещество может представлять собой металл (или ион металла) сам по себе, соединение, содержащее один или большее число этих элементов, включая соль, содержащую один или большее число этих элементов, и тому подобное. Предпочтительно, вещество допускает введение металла или иона металла в реакцию, которая непрерывно протекает, давая продукт сажи. Для целей настоящего изобретения, предпочтительно, вещество вводят до полного охлаждения, описанного выше. Например, вещество можно добавлять в любую точку до полного охлаждения, в том числе, до введения дающего сажу потока сырья на первую ступень; во время введения дающего сажу потока сырья на первую ступень; после введения дающего сажу потока сырья на первую ступень; до, во время или непосредственно после введения второго дающего сажу потока сырья к предшественнику; или на любой стадии после введения второго дающего сажу потока сырья, но до полного охлаждения. Можно использовать более одной точки введения вещества. Предпочтительно, введение вещества предшествует введению второго дающего сажу потока сырья и/или производится во время или сразу после введения дающего сажу потока сырья на первую стадию. Количество вещества, содержащего металл Группы IA или Группы IIA, может быть любой величины, пока может образовываться продукт сажи. Например, количество вещества можно добавить в такой дозе, что 200 миллионных долей или больше элемента Группы IA или Группы IIA присутствует в окончательно образованном продукте сажи. Другие количества элемента Группы IA или Группы IIA, присутствующего в получившемся продукте сажи, включают значения от примерно 200 миллионных долей до примерно 5000 миллионных долей или больше, и другие диапазоны могут быть от примерно 300 миллионных долей до примерно 1000 миллионных долей, или от примерно 500 миллионных долей до примерно 1000 миллионных долей. Данные уровни могут относиться к концентрации иона металла. Как указано, данные количества элемента Группы IA или Группы IIA, присутствующего в получившемся продукте сажи, могут относиться к одному элементу или более чем одному элементу Группы IA или Группы IIA и, следовательно, представляли бы собой суммарное количество элементов Группы IA или Группы IIA, присутствующих в получившемся продукте сажи. Вещество можно добавлять любым образом, включая любой общепринятый способ. Другими словами, вещество можно добавлять тем же способом, с помощью которого вводят дающий сажу поток сырья. Вещество можно добавлять в виде газа, жидкости, твердой формы или их любой комбинации. Вещество можно добавлять на одном участке или на нескольких участках и как единственный поток или как множество потоков. Вещество можно смешать с потоком сырья, топливом и/или окислителем до их введения или во время него.
Один способ, по которому вещество, содержащее, по крайней мере, один элемент Группы IA или Группы IIA, такой как, например, калий, можно ввести в поток сырья, заключается во внедрении вещества в поток сырья. Ионы металла могут равномерно распределиться в саже при горении. Заряд ионов металла вызывает силу отталкивания между индивидуальными частицами сажи. Данная сила отталкивания может предотвратить агрегацию частиц, обеспечивая, таким образом, увеличение общей структурности сажи.
Применение дополнительного потока сырья к уже существующим частицам сажи может быть повторено любое число раз, пока не прекращается реакция потока сырья с сажей. Каждый раз, когда вводится дополнительный поток сырья, температура всей реакционной смеси, в целом, понижается, и частицы сажи увеличиваются. Таким образом, поток сырья может действовать как охлаждающий агент для охлаждения сажи.
В другом осуществлении настоящего изобретения настоящее изобретение также относится к способу получения продукта сажи, где дающий сажу поток сырья вводят на первую ступень и объединяют с потоком горячих газов, что ведет к образованию предшественника. Более того второй дающий сажу поток сырья впоследствии вводят к предшественнику далее по ходу системы. Таким образом, данный способ вплоть до данного места однообразен с вышеописанным осуществлением, и, следовательно, те же условия и примеры можно применить к данному способу. Более того в данном способе второй дающий сажу поток сырья содержит, по крайней мере, 15% по массе общего количества дающего сажу потока сырья, используемого в ходе всего способа. Второй дающий сажу поток сырья может содержать от примерно 15% по массе до примерно 80% по массе общего количества дающего сажу потока сырья, используемого в ходе всего способа. Другие диапазоны включают от примерно 25% до примерно 70% или от примерно 30% до примерно 60% по массе общего массового количества потока сырья, дающего сажу, используемого в ходе всего способа. Введение второго дающего сажу потока сырья может быть произведено в двух или большем числе сегментов, или ступенях, где сегменты могут быть расположены по ходу системы за первым сегментом. Данный вариант полностью отличается от предыдущего многоступенчатого способа, где любое последующее введение дающего сажу потока сырья представляло бы собой очень маленькое количество, такое как порядка 10% по массе или меньше. Данное большое количество второго дающего сажу потока сырья приводит к полезным продуктам сажи, как будет описано позднее. Также данное количество сажи может служить частичным охладителем протекающих реакций.
Как и в первом описанном способе, соединение, которое представляет собой, или содержит, элемент Группы IA или Группы IIA, или его ион, можно добавлять таким же образом, как описано выше. Эти вышеописанные подробности равным образом применимы и в данном случае.
В другом осуществлении настоящего изобретения настоящее изобретение относится к способу получения продукта сажи, где первый дающий сажу поток сырья вводят на первую ступень и объединяют с потоком горячих газов, что ведет к образованию предшественника, как и в случае первого и второго вышеописанных способов. Затем второй дающий сажу поток сырья вводят к предшественнику, и в данном способе ни источник окисления, ни источник топлива не вводят после образования предшественника. Таким образом, в данном способе любой источник окисления и/или источник топлива вводят только до введения первого дающего сажу потока сырья или во время введения первого дающего сажу потока сырья. Опять таки, данный вариант полностью отличается от изложенных выше способов, где типично, что если вводят второй дающий сажу поток сырья, то для промотирования достаточной степени пиролиза второго дающего сажу потока сырья добавляют достаточные количества топлива и источника окисления. И в данном случае, как и в вышеописанных способах, по крайней мере, одно вещество, содержащее металл Группы IA или Группы IIA, можно вводить таким же образом, как описано выше, и эти особенности равным образом применимы и в данном случае.
В другом осуществлении настоящего изобретения настоящее изобретение относится к способу получения продукта сажи, где предшественник, содержащий первичную сажу, образуется в первой температурной зоне реактора сажи, а затем дающий сажу поток сырья может быть введен к предшественнику. Способ тогда включает образование продукта сажи во второй температурной зоне, которая расположена до зоны охлаждения. По этому способу разница по температуре между первой температурной зоной и второй температурной зоной составляет 200°С или более, и, предпочтительно, разница по температуре составляет 300°С или более. Подходящие диапазоны, относящиеся к разнице по температуре, могут составлять, например, от примерно 200°С до примерно 900°С или от примерно 400°С до примерно 700°С. Можно использовать и другие температурные диапазоны, относящиеся к разнице по температуре. Большей частью, в отношении данной разницы по температуре справедливо, что первая температурная зона имеет большую температуру, а вторая температурная зона имеет меньшую температуру, что, таким образом, создает разницу по температуре, хотя это представляет собой только предпочтительное осуществление. Разница по температуре может быть получена любым числом способов, таких как отказ от дополнительного введения топочных газов или путем предотвращения или минимизации образования газов горения во второй температурной зоне. Для достижения данной разницы можно использовать другие способы. Снова, как и в вышеприведенных осуществлениях, вещество, содержащее металл Группы IA или Группы IIA, можно использовать и вводить таким же образом, как описано выше, и подробности, изложенные выше, равным образом применимы и в данном случае. Предпочтительно, вещество, содержащее металл Группы IA или Группы IIA, вводят в первую температурную зону или, по крайней мере, до зоны охлаждения. Как вариант, вещество, содержащее металл Группы IA или Группы IIA, можно вводить во время образования предшественника или до этого, или как во время этого, так и до этого. Кроме того, по данному способу дающий сажу поток сырья можно вводить к предшественнику.
Что касается указанных выше способов, то в единственном способе можно применять одну или большее число присущих способам характеристик. Например, второй дающий сажу поток сырья можно использовать для частичного охлаждения, и разница по температуре между первой и второй зонами может составлять 200°С или более. Можно составить любую комбинацию присущих способам характеристик, как здесь описано.
В осуществлениях, которые включают достижение разницы по температуре в 200°С или более, относящейся к первой температурной зоне и второй температурной зоне, и в любых других описанных здесь осуществлениях можно использовать любой способ понижения температуры между температурными зонами или зонами, где вводят первый дающий сажу поток сырья и где вводят второй дающий сажу поток сырья. Например, можно использовать водную рубашку вокруг реактора (или его части) в том месте, где вводят второй дающий сажу поток сырья или далее. В качестве альтернативы, или в комбинации, на этом участке можно вводить пар. Кроме того, или в качестве альтернативы, можно использовать другие охлаждающие агенты, такие как азот, вода или другие подходящие охлаждающие агенты для того, чтобы достичь понижения температуры в месте введения второго дающего сажу потока сырья или далее. Предпочтительно, в любом осуществлении настоящего изобретения в первой температурной зоне отсутствует водная рубашка или другое охлаждающее устройство или приспособление, и, предпочтительно, любое такое охлаждение происходит непосредственно до, во время или сразу после введения второго дающего сажу потока сырья.
Более того, что касается вышеупомянутых способов, то, предпочтительно, что на первой ступени, где вводят первый дающий сажу поток сырья, задача заключается в максимизации площади поверхности. Например, предпочтительно, чтобы первая ступень эксплуатировалась для достижения большой площади поверхности, как например, от примерно 100 до примерно 400 м2/г на основе БЭТ.
В одном осуществлении настоящего изобретения первый дающий сажу поток сырья, который образует предшественник, в конечном счете, обволакивается последующим дающим сажу потоком сырья, который испаряется и покрывает предшественник.
Можно получить полезные продукты сажи, например можно получить сажу, имеющую ДБФ в диапазоне от примерно 120 до примерно 150 см3/100 г при суммарном содержании металла Группы IA или Группы IIA от примерно 50 до примерно 150 миллионных долей. Другие диапазоны ДБФ включают: от примерно 90 до примерно 120 см3/100 г при суммарном содержании металла Группы IA или Группы IIA от примерно 100 до примерно 500 миллионных долей; диапазон ДБФ от примерно 60 до примерно 90 см3/100 г при содержании металла Группы IA или Группы IIA от примерно 200 до примерно 1000 миллионных долей; диапазон ДБФ от примерно 30 до примерно 60 см3/100 г при суммарном содержании металла Группы IA или Группы IIA от примерно 500 до примерно 5000 миллионных долей. Сажа по настоящему изобретению может иметь выщелачиваемое количество металла Группы IA или Группы IIA. Например, сажа может иметь выщелачиваемое содержание металла Группы IA или Группы IIA, равное примерно 20% или меньше по массе присутствующего элемента Группы IA или IIA, и, более предпочтительно, 15 массовых % или меньше, 10 массовых % или меньше, 5 массовых % или меньше, 1 массовый % или меньше, или 1/2 массового % или меньше. Диапазоны включают без ограничения указанными значениями: от примерно 0 массовых % до примерно 20 массовых % или от примерно 0,25 массовых % до примерно 10 массовых %. Выщелачиваемое количество можно определить с использованием экстракции сажи в аппарате Сокслета, с последующим анализом водного экстракта на калий по ASTM D4527, C871 или EPA SW8-1311 и SW8-1312. Кроме того, сажа может иметь любую пористость. Сажа может иметь отношение БЭТ-площади поверхности (в м2/г) к t-площади (в м2/г) равное 1,5 или менее, такое как от 0,9 до 1,5. В целом, предпочтительно, сажи по настоящему изобретению имеют низкий уровень микропористости. Также сажа может иметь t-площадь от примерно 10 м2/г до примерно 180 м2/г. Другие диапазоны включают значения от примерно 30 м2/г до примерно 150 м2/г и от примерно 50 м2/г до примерно 120 м2/г. Обычно сажа по настоящему изобретению не содержит ощутимого количества кремния.
Сажу по настоящему изобретению можно использовать в любых изделиях, где используется традиционная сажа, таких как резиновые изделия, шины, печатные краски, струйные печатающие устройства, тонеры, газовые диффузионные электроды, покрытия, пластмассы, полимеры и тому подобное.
Настоящее изобретение будет дополнительно пояснено на следующих примерах, которые предназначены служить исключительно иллюстрацией настоящего изобретения.
Примеры
В опытной установке реализовано одно осуществление сажи по настоящему изобретению. В данном способе использован реактор сажи, показанный на чертеже и имеющий конструкцию, которая подобна конструкции, изложенной в патенте США № 6403695. Примеры 1-7 приведены в Таблице 1. В каждом случае использовано 140% горения основной смеси, причем это соответствует 40% обогащенной кислородом реакции горения. Первичное топливо для реакции горения представляло собой природный газ и вводилось в реакторе в Потоке 1. Природный газ, используемый в способе получения сажи, имел температуру окружающей среды приблизительно 77°F. Используемое жидкое сырье представляло собой коммерчески доступное сырье, имеющее типичные свойства, приведенные в патенте США № 5190739. По данному способу первый дающий сажу поток сырья вводили на первую ступень в присутствии потока горячих газов, образованных при первичном горении. Как показано в Таблице 1, первый дающий сажу поток сырья вводили в различных количествах. Как только на первой ступени смешали первый дающий сажу поток сырья с потоком горячих газов с образованием предшественника, который содержал первичную сажу, то впоследствии второй дающий сажу поток сырья вводили далее по ходу системы. Данный второй дающий сажу поток сырья вводили до зоны охлаждения в отсутствии какого-либо источника окисления или источника топлива.
| Таблица 1 Примеры условий эксплуатации | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| Скорость воздуха, м3/час | 1800 | 1800 | 1800 | 1800 | 1800 | 1800 | 1800 |
| Температура предварительно нагретого воздуха, °С | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 | 500 |
| Полное горение, % | 21 | 21 | 21 | 21 | 23 | 21 | 21 |
| Горение основной смеси, % | 140 | 140 | 140 | 140 | 140 | 140 | 140 |
| Общая скорость потока сырья, кг/час | 722 | 722 | 722 | 722 | 650 | 722 | 722 |
| Температура потока сырья (FDS), °С | 179 | 169 | 141 | 148 | 158 | 145 | 149 |
| К+ (в виде раствора ацетата калия), мг К+/кг FDS | 0 | 500 | 0 | 500 | 600 | 800 | 844 |
| Площадь внешней поверхности (STSA), м2/г | 62,4 | 71,7 | 78,5 | 86,6 | 84,8 | 82 | 97,1 |
| БЭТ, м2/г | 63,7 | 69,1 | 76,4 | 86,2 | 87,2 | 84 | 94,2 |
| ДБФ абсорбция, см3/100 г | 125,3 | 43,5 | 167,4 | 132,3 | 168,9 | 143 | 108 |
| Температура охлаждения, °С | 730 | 730 | 730 | 730 | 730 | 730 | 730 |
| Участок охлаждения, м | 16,7 | 16,7 | 16,7 | 13,1 | 14,3 | 14,3 | 13,1 |
| Промежуточная вода, кг/час | 0 | 0 | 0 | 0 | 100 | 0 | 0 |
| Процент сырья, поданного на первый участок | 100 | 100 | 47 | 47 | 53 | 47 | 47 |
| Число участков впрыскивания второй стадии | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 2 | 1 |
| Расстояние между впрыскиваниями 1 и 2, м (L2 на чертеже) | 1,6 | 1,6 | 1,6 | 1,6 | 1,6 | 1,6 | 1,6 |
| Разница температур между впрыскиваниями 1 и 2, °С | N/A | N/A | -336 | -334 | -437 | -331 | -334 |
В Примере 5 между двумя впрыскиваниями потока сырья была введена вода в количестве 100 кг/час. Вода введена в виде мелких брызг с использованием распылителя под давлением.
В Примере 6 второй дающий сажу поток сырья разделили на две одинаковые части. Первую часть вводили в L1 на чертеже, как показано в Таблице 1. Вторую часть вводили дальше по ходу системы.
При введении первого дающего сажу потока сырья вводили переменное количество калия в виде раствора ацетата калия для того, чтобы предшественник включал калий.
Сажу, образующуюся в реакции, впоследствии полностью охлаждали водой за участком введения второго дающего сажу потока сырья, что вело к получению продукта сажи по настоящему изобретению. Полученные сажи имели t-площадь, площади по БЭТ и абсорбцию ДБФ, приведенные в Таблице 1.
Заявители специально включают в данное описание изобретения в полном объеме все приведенные ссылки. Далее, если количество, концентрация или другая величина или параметр, приведена как диапазон, предпочтительный диапазон или список верхних предпочтительных значений и нижних предпочтительных значений, то это необходимо понимать как специальное раскрытие всех диапазонов, образуемых любой парой любой верхней границы диапазона или предпочтительного значения и любой нижней границы диапазона или предпочтительного значения, независимо от того раскрываются ли диапазоны отдельно. Если здесь приведен диапазон численных значений, то, если не оговорено особо, предполагают, что диапазон включает свои конечные значения и все целые числа, и дробные части в пределах диапазона. Не подразумевается, что рамки изобретения ограничиваются частными значениями, перечисляемыми при определении диапазона.
Другие осуществления настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области из рассмотрения данных технических характеристик и практического использования настоящего изобретения, описанного здесь. Предполагается, что данные технические характеристики и примеры следует рассматривать только как иллюстрации, причем точные рамки и сущность изобретения отражены нижеследующей формулой изобретения и ее эквивалентами.
1. Способ получения продукта сажи, включающий введение дающего сажу потока сырья на первую ступень и объединение с потоком горячих газов с образованием предшественника, состоящего из, по существу, первичной сажи в реакционном потоке, и последующее введение второго дающего сажу потока сырья к упомянутому предшественнику, где указанный второй дающий сажу поток сырья включает, по крайней мере, 15% по массе от общего количества по массе дающего сажу потока сырья, используемого по указанному способу, и далее дополнительно включающий введение, по крайней мере, одного вещества, содержащего, по крайней мере, один элемент Группы IA или Группы IIA, до и/или во время введения указанного второго дающего сажу потока сырья, и указанный продукт сажи состоит, по существу, из сажи, имеющей диапазон ДБФ от примерно 30 до примерно 150 см3/100 г и площадь внешней поверхности (STSA) в диапазоне от примерно 10 м2/г до примерно 180 м2/г, где продукт сажи имеет указанное значение ДБФ и указанную площадь внешней поверхности (STSA), которая значительно больше площади внешней поверхности (STSA) по сравнению с продуктом сажи с указанным значением ДБФ, полученным по способу такого же полного сгорания и такого же первичного сгорания и полученным способом
a) одностадийного введения дающего сажу потока сырья с или без введения элемента Группы IA или Группы IIA или
b) многостадийного введения дающего сажу потока сырья с или без введения элемента Группы IA или Группы IIA.
2. Способ по п.1, где указанный второй дающий сажу поток сырья добавляют в двух или более сегментах.
3. Способ по п.1, где указанный элемент Группы IA включает калий.
4. Способ по п.1, где указанный элемент Группы IA представляет собой калий.
5. Способ по п.1, где указанное вещество вводят во время или до введения указанного второго дающего сажу потока сырья.
6. Способ по п.1, где после образования указанного предшественника не вводят ни источника окисления, ни источника топлива.
7. Способ по п.1, где указанный продукт сажи представляет собой сажу, имеющую
диапазон ДБФ от примерно 120 до примерно 150 см3/100 г при совокупном содержании элемента Группы IA или Группы IIA от примерно 50 до примерно 150 миллионных долей; или
диапазон ДБФ от примерно 90 до примерно 120 см3/100 г при совокупном содержании элемента Группы IA или Группы IIA от примерно 100 до примерно 500 миллионных долей; или
диапазон ДБФ от примерно 60 до примерно 90 см3/100 г при совокупном содержании элемента Группы IA или Группы IIA от примерно 200 до примерно 1000 миллионных долей; или
диапазон ДБФ от примерно 30 до примерно 60 см3/100 г при совокупном содержании элемента Группы IA или Группы IIA от примерно 500 до примерно 5000 миллионных долей.
8. Способ получения продукта сажи, включающий образование предшественника, состоящего, по существу, из первичной сажи, в первой температурной зоне в реакторе, содержащем первый дающий сажу поток сырья и поток горячих газов в указанной первой температурной зоне, и затем введение второго дающего сажу поток сырья к указанному предшественнику во второй температурной зоне реактора, и образование указанного продукта сажи во второй температурной зоне до зоны полного охлаждения, и дополнительно включающий введение по меньшей мере одного вещества, содержащего по меньшей мере один элемент Группы IA или Группы IIA до и/или во время введения указанного второго дающего сажу поток сырья, причем указанная вторая температурная зона расположена ниже первой температурной зоны по направлению движения газового потока в реактор, и где нет источника окисления и нет источника топлива для образования горячих газов сожжения после образования указанного предшественника, и где первая указанная температурная зона и вторая температурная зона имеют разницу в температуре (Δ) в 200°С и более, что определяется соответствующими первой и второй температурами в реакторе, где первый и второй дающие сажу потоки сырья соответственно введены в соответствующие первую и вторую температурные зоны реактора, и где второй дающий сажу поток сырья составляет по меньшей мере 15% по весу от общего по весу количества дающего сажу потока сырья, и указанный продукт сажи состоит по существу из сажи, имеющей диапазон ДБФ от примерно 30 до примерно 150 см3/100 г, и площадь внешней поверхности (STSA) в диапазоне от примерно 10 м2/г до примерно 180 м2/г, где указанный продукт сажи имеет указанный ДБФ и указанную площадь внешней поверхности (STSA), которая значительно больше площади внешней поверхности (STSA) по сравнению с продуктом сажи с указанным значением ДБФ, полученным по способу такого же полного сгорания и такого же первичного сгорания и полученным способом
a) одностадийного введения дающего сажу потока сырья с или без введения элемента Группы IA или Группы IIA или
b) многостадийного введения дающего сажу потока сырья с или без введения элемента Группы IA или Группы IIA.
9. Способ по п.8, где указанная разница в температуре составляет 300°С или более.
10. Способ по п.8, где указанная разница в температуре составляет от 200°С до примерно 900°С.
11. Способ по п.8, где указанная разница в температуре составляет от примерно 400°С до примерно 700°С.
12. Способ по п.8, где указанную разницу в температуре получают, по крайней мере, отчасти с помощью охлаждающей рубашки, распыления воды и/или пара между указанными первой и второй температурной зонами.
13. Способ по п.8, где первое место ввода для первого дающего сажу потока сырья в указанную первую температурную зону располагается приблизительно на 1,6 м выше второго места ввода для указанного второго дающего сажу потока сырья к указанному предшественнику во второй температурной зоне указанного реактора.
14. Способ по п.1, где первое место ввода для первого дающего сажу потока сырья в указанную первую температурную зону располагается приблизительно на 1,6 м выше второго места ввода для указанного второго дающего сажу потока сырья к указанному предшественнику.
15. Способ по п.1, кроме того, включающий введение, по крайней мере, одного вещества, содержащего, по крайней мере, один элемент Группы IA или Группы IIA в количестве, достаточном для того, чтобы в продукте сажи имелось 200 миллионных долей или больше элемента, до введения указанного второго дающего сажу потока сырья.
16. Способ по п.15, где указанное количество составляет 500 миллионных долей или больше.
