Способ получения сажи и реактор для его осуществления

Авторы патента:

Суровикин Виталий Федорович (RU)

Суровикин Юрий Витальевич (RU)

Шайтанов Александр Георгиевич (RU)

C09C1/48 - сажа

Владельцы патента RU 2389747:

Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отделения Российской академии наук (ИППУ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к нефтехимии. Предварительно нагретый воздух подают в воздушную камеру 2. Затем он проходит в камеру смешения 3, куда через струйное устройство подают топливный газ. Образовавшаяся топливовоздушная смесь поступает в камеру горения 4. Затем высокотемпературный поток продуктов горения топлива сужают в смесительном сопле 6, куда радиальными проникающими струями под давлением 12-25 ати в одном поперечном сечении суженного потока, движущегося со скоростью 250-600 м/с, подают воду и сырье через устройства 12, причем вода имеет температуру не выше 95°С, а сырье 200-450°С. Образовавшийся поток реакционной смеси поступает в реакционную камеру 7, в конце которой осуществляется предварительная закалка продуктов реакции. Далее продукты реакции поступают в реакционную камеру 8, в конце которой водой осуществляется полная закалка продуктов реакции в зоне 9. Охлажденные продукты реакции выводят из реактора через патрубок 10 и направляют в систему устройств для отделения целевого продукта. Изобретение позволяет получить высокодисперсную, высокоструктурную и однородную по свойствам сажу с высоким выходом целевого продукта. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к производству наноструктурированного углеродного материала сажи, которая применяется как наполнитель эластомеров для изготовления шин и резинотехники.

Способ включает в себя генерацию высокотемпературного потока продуктов полного сгорания углеводородного топлива под давлением 0,3-1,0 ати, который через сужающее сопло подается в реакционную зону со скоростью 250-600 м/сек. В зоне максимальной скорости газового потока радиальными проникающими струями подается углеводородное сырье, которое разлагается с образованием нанодисперсного углерода в реакционной зоне и после закалки поступает в систему рекуперации и разделения с выделением целевого продукта.

Отличительной особенностью способа является то, что в зону максимальной скорости потока радиальными проникающими струями одновременно с сырьем подается вода.

Известен способ получения сажи, включающий подачу сырья в реактор в виде аксиального потока и аксиального потока окислителя с разложением углеводородного сырья в аксиальном сырьевом факеле (патент США №3832450). При этом радиальными струями в сырьевой факел подается вода. В данном способе в сырьевом факеле сырье находится еще в жидкой фазе, но его температура превышает температуру подаваемой воды. Процесс протекает при термоокислительном пиролизе сырья. Введение воды в сырьевой факел в данном способе позволяет генерировать сажу с повышенными показателями адсорбции дибутилфталата и йодного числа. Недостатком способа является низкий выход целевого продукта и высокая степень его неоднородности.

Известен способ, включающий сжигание топлива с воздухом в камере горения, сужение продуктов горения в смесительном сопле, введение в него углеводородного сырья и воды в количестве 0,1-0,5 кг/кг сырья, расширение получаемых продуктов в реакционной камере с последующим охлаждением продуктов водой (патент РФ №2077544). Часть воды, поступающей в смесительное сопло, подают через 0,0005-0,0009 сек после ввода сырья в количестве 0,02-0,09 кг/кг сырья.

Реактор для осуществления способа, содержащий последовательно и соосно установленные камеру горения со средствами для сжигания топлива с воздухом, смесительное сопло с сырьевыми форсунками и форсунками для воды, радиально установленными в смесительном сопле после сырьевых форсунок на расстоянии, равном 4-8 диаметров смесительного сопла, и реакционную камеру со средствами для закалки сажегазовых продуктов, дополнительно снабжен вторым поясом водяных форсунок в смесительном сопле, радиально расположенным на расстоянии 1,0-1,95 диаметра смесительного сопла от места ввода сырья.

Недостатком этого способа является слабовыраженный эффект влияния на формирование структурированности агрегатов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения сажи, включающий генерацию высокотемпературного потока продуктов полного сгорания углеводородного топлива, введение этого потока в сужающее сопло с высокой скоростью и подачу радиальными струями углеводородного сырья (патент РФ №2083614, прототип). Отличительной особенностью этого способа является то, что в высокоскоростной и высокотемпературный поток продуктов предварительно до подачи сырьевых струй подают струи воды. Реактор для осуществления предлагаемого способа получения сажи включает последовательно и соосно установленные камеру смещения топлива с воздухом, камеру горения, смесительное сопло с форсунками для подачи сырья и реакционную камеру с форсунками для подачи воды на закалку сажегазовых продуктов. Дополнительно он снабжен форсунками для подачи воды, радиально установленными в смесительном сопле перед сырьевыми форсунками на расстоянии от них, равном 0,1-2,4 диаметра смесительного сопла. Предварительный ввод воды позволил получать сажу с повышенной величиной адсорбции дибутилфталата, но при этом увеличилась пористость получаемого продукта.

Задачей изобретения является создание способа и реактора для получения высокодисперсной, высокоструктурной и однородной по свойствам сажи с высоким выходом целевого продукта.

Предлагаемый способ получения сажи включает генерацию высокотемпературных газов - продуктов полного горения под давлением 0,3-1,0 ати с избытком воздуха, подачу газов полного горения топлива в сопло со скоростью истечения 250-600 м/сек. В зону максимальной скорости потока газов полного горения радиальными проникающими струями подается углеводородное сырье. В эту же зону в этом же сечении радиальными проникающими струями подается вода. Сырье и вода подаются под давлением 12-25 ати. Температура воды не выше 95°С, а сырья 200-450°С.

Количество сырьевых струй в сечении сопла и водяных струй в этом же сечении находятся в диапазоне 2:2÷6:6 в зависимости от регулирования требуемых свойств получаемого продукта.

Массовое соотношение расходов воды и сырья в суженный поток продуктов полного горения составляет 0,05-0,25.

В образующемся высокотурбулентном потоке происходит термоокислительный пиролиз углеводородного сырья. При этом испаряющиеся капли сырья и капли воды осуществляют перекрестное соприкосновение друг с другом, усиливая коагуляцию возникающей углеродной фазы с одновременным ростом скорости возникновения формирующихся наночастиц сажи.

Отличительными признаками способа получения сажи являются подача углеводородного сырья и воды радиальными проникающими струями под давлением 12-25 ати в одном поперечном сечении суженного потока, движущегося со скоростью 250-600 м/сек.

Другим отличием является массовое соотношение расходов воды и сырья в суженном потоке продуктов полного горения, которое составляет 0,05-0,25.

Реактор для осуществления предлагаемого способа включает последовательно и соосно установленные камеру смешения топлива с воздухом, камеру полного горения, разделительную диафрагму со смесительным соплом и устройствами для подачи углеводородного сырья и водяных струй в одном сечении, реакционную камеру с закалочными устройствами. Отличительной особенностью реактора является установка устройств для ввода радиальных струй углеводородного сырья и воды в одном поперечном сечении сопла.

Предлагаемая по заявке совокупность существенных признаков позволяет получать высокодисперсную, высокоструктурную и однородную по свойствам сажу с высоким выходом целевого продукта.

Скорость движения продуктов полного горения топлива менее 250 м/сек снижает интенсивность смесительных процессов и возможно снижение удельной поверхности сажи. При скорости движения газов полного горения выше 600 м/сек возрастают расходы на компрессию воздуха.

При давлении подачи воды и сырья менее 12 ати снижается эффективность диспергирования жидкостей и происходит укрупнение капель воды и сырья, что приводит к снижению величины удельной поверхности сажи. При давлении более 25 ати резко возрастают расходы на компрессию.

При повышении температуры подаваемой в сужающее сопло воды более 95°С возможно ее вскипание, что приводит к снижению эффекта по изменению свойств сажи.

При понижении температуры сырья ниже 200°С снижается эффективность диспергирования и эффекта процесса в целом. При повышении температуры сырья выше 450°С возможно вскипание легких фракций и снижение эффективности процесса.

На фиг.1 представлена принципиальная схема реактора, общий вид.

На фиг.2 - его сечение по А-А.

На фиг.3 - его сечение по Б-Б

Реактор для получения сажи включает корпус 1, в котором последовательно и соосно расположены воздушная камера 2, камера газовоздушного смешения 3 со струйной горелкой, камеры горения 4, разделительная диафрагма с охлаждаемой камерой 5, смесительное сопло 6, реакционная камера 7, реакционная камера 8 и камера закалки 9. В смесительном сопле 6 на корпусе реактора 1 радиально в одном сечении смонтированы устройства для ввода сырья и воды. В конце реакционной камеры 7 на корпусе 1 реактора радиально расположены одно или несколько устройств для предварительной закалки сажегазовых продуктов. В конце реакционной камеры 8 на корпусе 1 реактора радиально установлены одно или несколько устройств для подачи воды на полную закалку сажегазовых продуктов. В конце реактора на корпусе 1 реактора радиально установлен патрубок 10 для вывода сажегазовых продуктов. Камера горения 4, смесительное сопло 6 и реакционная камера 7 образованы блочной футеровкой 11, выполненной внутри корпуса 1 реактора из высокоогнеупорного муллитокорунда, корунда или двуокиси циркония.

Предлагаемый реактор работает следующим образом. Окислитель, например воздух, из источника под давлением 0,3-1,0 ати, предварительно нагретый в любом подходящем для этой цели устройстве до 500-900°С, подают в воздушную камеру 2. Затем он коаксиальным потоком проходит в камеру смешения 3, куда аксиальным потоком через струйное устройство подают топливный газ. Образовавшаяся топливовоздушная смесь поступает в камеру горения 4. Полученный высокотемпературный поток продуктов горения топлива сужают в смесительном сопле 6 и через устройства 12 подают в него в одном сечении из источников под давлением распыленные воду и сырье. Образовавшийся поток реакционной смеси поступает в реакционную камеру 7, в конце которой осуществляется предварительная закалка продуктов реакции. Далее продукты реакции поступают в реакционную камеру 8, в конце которой водой осуществляется полная закалка продуктов реакции в зоне 9. Охлажденные продукты реакции выводят из реактора через патрубок 10 и направляют далее в систему устройств для отделения целевого продукта и придания ему товарной формы.

Пример 1

Опыты проведены на реакторе с диаметром смесительного сопла 200 мм. В качестве сырья использована углеводородная смесь следующего состава:

Воду вводили на расстоянии 300 мм до радиальных сырьевых струй. Результаты опытов приведены в табл.1.

Пример 2. Опыты проведены при соблюдении условий примера 1, но подача воды осуществлялась в одном сечении смесительного сопла. Результаты опытов приведены в таблице.

При вводе воды в одном сечении смесительного сопла увеличилась адсорбция дибутилфталата, удельная внешняя поверхность, удельная поверхность по адсорбции N₂.

Таблица
Сравнительные показатели свойств получаемой в опытах сажи
Условия опыта	По известному способу	По предлагаемому способу
Диаметр смесительного сопла, мм	200	200
Расход сырья, кг/час	730	730
Расход топлива, нм³/час	170	170
Расход технологического воздуха, нм³/час	4000	4000
Температура технологического воздуха, °С	400	400
Расход воды в сопло, кг/час	180	180
Температура сырья, °С	220	220
Температура воды, °С	70	70
Температура в камере горения, °С	1445	1445
Температура в зоне реакции, °С	1520	1520
Удельная внешняя поверхность, STSA (ASTM D 6556), м²/г	108	130
Удельная поверхность по N₂ (NSA, ASTM D6556), м²/г	110	128
Йодное число, ASTM D 150, мг/г	106	130
Адсорбция дибутилфталата, (DBP, ASTM D 2414), см³/100 г	115	140
Светопропускание толуольного экстракта, %	98	98

1. Способ получения сажи, включающий генерацию высокотемпературного потока продуктов полного горения углеводородного топлива, сужение потока и подачу в него радиальными проникающими струями углеводородного сырья и воды, разложение сырья с образованием сажи и закалку продуктов реакции, отличающийся тем, что углеводородное сырье и воду подают радиальными проникающими струями под давлением 12-25 ати в одном поперечном сечении суженного потока, движущегося со скоростью 250-600 м/с, причем вода имеет температуру не выше 95°С, а сырье 200-450°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что массовое соотношение расходов воды и сырья в суженном потоке продуктов полного горения составляет 0,05-0,25.

3. Реактор для получения сажи, включающий корпус, в котором последовательно и соосно расположены камера смешения топлива с воздухом, камера полного горения топлива, разделительная диафрагма со смесительным соплом и устройствами для подачи радиальных сырьевых и водяных струй, реакционную камеру с закалочными водяными устройствами, отличающийся тем, что устройства для ввода радиальных струй углеводородного сырья и воды расположены в одном поперечном сечении смесительного сопла.

4. Реактор по п.3, отличающийся тем, что количество устройств для ввода радиальных струй сырья и воды в одном сечении находятся в диапазоне 2:2-6:6.

Изобретение относится к композиту, применяемому для наполнения эластомеров в покрытиях, клеях, пеноматериалах, шинах и в строительстве и способу его производства. .

Способ производства технического углерода, компонентов углеводородных топлив и сырья для химической промышленности из сырья - резиносодержащих промышленных и бытовых отходов // 2352600

Изобретение относится к химической промышленности и утилизации резиносодержащих промышленных и бытовых отходов, например отслуживших свой срок автопокрышек. .

Рабочая смесь сырья для производства технического углерода // 2326146

Изобретение относится к применению сырьевых композиций, состоящих из компонентов нефтяного, каменноугольного, нефтехимического происхождения для производства технического углерода.

Способ получения сажи // 2325412

Изобретение относится к технологии получения технического углерода в хлорметановом пламени. .

Способ получения технического углерода и система рекуперативного нагрева технологического воздуха // 2317308

Изобретение относится к производству технического углерода из жидкого углеводородного сырья. .

Установка для производства сажи // 2307140

Изобретение относится к производству сажи путем термического разложения углеводородного сырья в продуктах полного сгорания вспомогательного топлива, а именно к устройствам, в которых осуществляют рекуперацию тепла сажегазовой смеси для подогрева технологического воздуха.

Установка для производства технического углерода // 2291887

Изобретение относится к производству технического углерода путем термического разложения углеводородного сырья в продуктах полного сгорания вспомогательного топлива, а именно к устройствам для получения технического углерода, в которых осуществляют рекуперацию тепла реакционной смеси для подогрева технологического воздуха.

Способ производства технического углерода (сажи) // 2285025

Изобретение относится к химической и нефтехимической промышленности и может быть использовано при получении усиливающих наполнителей для шин и резинотехнических изделий.

Способ получения сажи из резиновых отходов // 2276170

Изобретение относится к технологии переработки отходов и может быть применено в химической промышленности для производства сажи, а также в резиновой промышленности для получения ингредиентов резиновых смесей.

Сырье для производства полуактивного и малоактивного технического углерода // 2206586

Изобретение относится к области применения жидкого углеводородного сырья различного происхождения для производства технического углерода, а именно к составу и рецептуре сырья, и может быть использовано при получении полуактивного и малоактивного технического углерода.

Способ получения полуактивного технического углерода и реактор для его осуществления // 2394054

Сажи и сажесодержащие полимеры // 2411270

Способ получения наноуглерода // 2430880

Изобретение относится к технологии получения чистых наноразмерных углеродных материалов при переработке углеводородного сырья и может найти применение в нефтехимической и строительной промышленности, в композитных материалах, резинах, в качестве сорбентов

Сажа, способ ее получения и устройство для осуществления этого способа // 2441893

Способ отделения сажи от потока сточных вод // 2480418

Устройство для получения сажи из резиновых отходов // 2494128

Изобретение относится к переработке промышленных и бытовых отходов. Устройство для получения сажи из резиновых отходов включает реактор пиролиза 5, систему выгрузки твердых продуктов, средство вывода газов пиролиза, кожухотрубный теплообменник 13, приемное устройство твердых продуктов пиролиза, конденсатор 26 газов пиролиза, средство 16 вывода дымовых газов. Кожухотрубный теплообменник 13 оснащен горелкой 10, подключенной к трубам 12. Межтрубное пространство теплообменника заполнено дисперсным материалом 17 с размером частиц 3-10 см. Вход средства вывода газов пиролиза 20 подключен к реактору 5 пиролиза, а выход - к межтрубному пространству теплообменника 13. Вход конденсатора 26 подключен к рубашке 14 реактора 5 пиролиза, которая подключена к трубам 12 теплообменника 13. Приемное устройство твердых продуктов выполнено в виде последовательно подключенных к системе 40 выгрузки твердых продуктов измельчителя 41, магнитного сепаратора 42, микроизмельчителя 44, отвеивательного аппарата 49, соединенного, в свою очередь, с циклонным реактором 33, оснащенным вихревой горелкой 53, по оси которой установлена форсунка 48. К циклонному реактору 33 последовательно подключены циклон 59, отвеивательный аппарат 60 и электростатический сепаратор 62. К выходу циклона 59 по газу подключен рукавный фильтр 66. Выход рукавного фильтра 66 по газу подключен к горелке 10 теплообменника 13. Повышается качество сажи, уменьшаются энергетические затраты и количество вредных выбросов в окружающую среду. 1 ил.

Способ получения сажи из резиновых отходов // 2495066

Изобретение относится к технологии переработки органических отходов и может быть применено в химической и резинотехнической промышленности. В реакторе разлагают резиновые отходы. Продукты разложения разделяют на газообразные и углеродный остаток. Газообразные продукты нагревают до 1200-1300°C, выделяют масло, распыляют его до размеров капель 0,2-2,0 мм, смешивают с измельченным до 0,1-1,0 мм углеродным остатком в соотношении 1:(0,05-3,0) и подвергают термическому разложению на сажу и газы. Сажу и газы разделяют механически, а от золы сажу отделяют электромагнитной сепарацией. Газообразные продукты после выделения масла сжигают и полученную тепловую энергию используют для обеспечения термического разложения смеси масла и углеродного остатка. Газы термического разложения масла и углеродного остатка сжигают, а полученную тепловую энергию используют для обеспечения термической обработки газообразных продуктов. Повышается качество получаемой сажи, снижается энергоемкость процесса, улучшается экология за счет уменьшения образования токсичных соединений. 1 ил.

Способ и устройство для многостадийной термической обработки резиновых отходов, в частности, отходов шин // 2507237

Изобретение относится к многостадийной термической обработке резиновых отходов, в частности отходов шин. Изобретение касается способа многостадийной термической обработки резиновых отходов для извлечения углеродной сажи, включающего этапы транспортировки твердого материала в виде гранулированного продукта, полученного из резиновых отходов, в три различные последовательно расположенные зоны нагрева, находящиеся в реакторе (10). В зонах (11а, 11b, 11с) нагрева твердый материал нагревают при первой температуре, составляющей от 100 до 200°С, предпочтительно от 150 до 180°С, затем при второй температуре, составляющей от 200 до 350°С, и затем при третьей температуре, составляющей от 300 до 600°С. Соответствующие температуры поддерживают в соответствующих зонах нагрева до полного прекращения выделения масел. При выполнении заключительного этапа твердый материал извлекают из реактора (10) и отделяют целевые твердые материалы. Изобретение также касается углеродной сажи и устройства для многостадийной термической обработки резиновых отходов. Технический результат - получение углеродной сажи высокой чистоты в качестве твердого целевого продукта. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

Способ получения сажи из углеводородного газа // 2537582

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической, резинотехнической, полиграфической, лакокрасочной отраслях промышленности. Сжигают богатую смесь углеводородного газа-топлива с воздухом при значении коэффициента избытка воздуха α=(1…1,2)αCOmax≈0,7…0,9. Значение αCOmax определяют по числам атомов углерода n и водорода m в условной молекуле углеводородного газа и вычисляют как отношение (2n+m)/(4n+m). Смесь углеводородного газа-топлива с воздухом до подачи на сжигание можно подогреть до 60-299°С. Углеводородный газ-сырьё, предварительно подогретый до 100-400°С, подвергают пиролизу в смеси с продуктами сгорания. Продукты пиролиза закаливают перегретой деминерализованной водой, охлаждают в теплообменнике и выводят через устройство сбора целевого продукта. Технический результат - увеличение выхода технического углерода за счет повышения сажеобразования. 4 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 пр.

Способ и устройство для изготовления технического углерода с использованием подогретого исходного материала // 2545329

Изобретения относятся к химической промышленности и могут быть использованы при производстве пигментов для красок и чернил, а также наполнителей каучуков и пластмасс. Исходный материал, имеющий температуру кипения 160-600°C, подают в нагреватель для нагрева до температуры, превышающей 300°C. Скорость прохождения исходного материала через нагреватель 1 м/с или выше, а период его пребывания в нагревателе менее 120 минут. Затем подогретый исходный материал вводят в реактор синтеза технического углерода печного типа. Период пребывания исходного материала от выпуска из нагревателя до точки впуска в реактор менее 120 минут, за счет чего контролируется образование паровой пленки в нагревателе. Подогретый исходный материал объединяют с нагретым газовым потоком для получения реакционного потока, в котором происходит образование технического углерода. Полученный печной технический углерод извлекают из реакционного потока. Технический результат: предотвращение загрязнения технологических линий и оборудования. 6 н. и 49 з.п. ф-лы, 9 табл., 6 ил., 2 пр.