Способ получения сажи и реактор дляего осуществления

 

В.Ф. Суровикин, А.В. Рогов, Г.В. Сажин и Г.Л,. Горюнов (72) Авторы изобретения

Всесоюзный научно-исследовательский институт-технического углерода (7 l } Заявя тел ь (54) СПОС:iS ПОЛУЧЕНИЯ САЖИ И РЕАКТОР

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей и нефтехимической проиыпленности, s частности к получению сажи путем термического или термоокислительного разложения углеводородного. сырья и к устройствам для их получения.

Изобретение может быть успешно использовано для получения из жидкого углеводородного сырья печных саж, при.6 меняемых в качестве усиливающего наполнителя при изготовлении шин и резинотехнических изделий.

Известен способ получения сажи путем разложения жидкого углеводородно35 го сырья, включающий сжигание топлива с воздухом и термическое разложение углеводородного сырья в высокотемпературных продуктах полного горения, закалку сажегазовых продуктов, отделение сажи из потока сажегазовых продуктов, отбор части отходящих газов и возврат их на сжигание, возвращаемую часть газовых продуктов предварительно охлаждают для удаления водяных паров. Реактор для осуществления известного способа включает последовательно расположенные камеру горения со средстваии для подачи топлива,. кислородсодержащего газа и возвращаемых газовых продуктов, реакционную камеру с сырьевой форсункой и срепствамн для подачи закалочного агента (!).

Недостатками известного способа получения сажи и реактора для его осуществления являются большие энергетические затраты, связанные с обеэвоживаниеи отходящих газов и с затратаии тепла на их последующий нагрев в камере горения, а также сложность технологического процесса н большая неталлоемкость аппаратов.

Известен способ получамня сажи включающий сжигание топлива с воздухом, подачу углеводородного сырья в продукты полного горения топлива, термическое разложение сырья в продуктах полного горения топлива с об850642

35 разование сажегазовых продуктов, Отбор части сажегазовых продуктов и подачу их на стадию термического разложения сырья (в реакционную зону), закалку сажегаэОвых продуктов {остав шейся части) и последующее отделение сажи оТ газообра9?IbIK Ilpo YKToil, подачу отобранной части сажегазовых продуктов в реакционную зону осуществляют потоком продуктов горения топлива.

Реактор для осуществления известного cBoco6G сОдержит последовательно установленные камеру горения с патрубками для подачи топлива и воздуха аЪ и 1рорсункой (аксиальной ) для подачи сырья, согло и реакционную камеру с

1 форсункой для подачи закало .ного агента и трубой для отбора сажегазовых продуктов, входной торец которой установлен перед форсункой для подачи закалочного агента и выходной торец у входного торца реакционной каме— ры (2 1.

Недостатком известного способа и реактора для получения сажи является то, что количество воздуха„ подаваемогр в камеру горения реактора для сжигания топлива, значительно больше стехиометрического ((502,1. Это приводит к тому, что продукты полного г,»рения содержат свободный кислород, при взаимодействии с которым часть углеводородного сырья сгорает с образованием окиси и двуокиси углерода. Б результате этого выход сажи в расчете на углеводород, подаваемый в реактор, яв— ляется недостаточно высоким. При этом эа углеводород принимается сумма масс используемых в процессе сырья и топлива. Выход сажи в расчете на сумму масс сырья и топлива является наиболее объективным показателем эффективности процесса, так как в последнее время значительно увеличились цены на природный и нефтяной газ, а также на жидкое топливо нефтяного происхождения» поэтому доля затрат на вспомогательное топливо резко возросла и стала соизмерима с затратами на сырье.

Другой недостаток известного способа получения сажи заключается в том, что при подаче рециркулируемых сажегазовых продуктов в зону пода ги сырья, процесс сажеобразования протекает в присутствии в реакционном объ-ме готовой углеродной поверхности, при этом, с одной стороны, снижается

«исперсность и структурнОсть пОлучаемой сажи, а с другой стороны. »вепичивa-"TOJ.- полидисперсност » са»и то является нежелательным явле llleM с точки зоения усиления Оезин. Номе того, недостатком извйстноГО реактОра явля ется сложность регулирования коли естBG ОЕЦИОКУЛИРУЕМЫХ ПО ВНЕ!!HBMV К»ацалУ сажегазовых продуктов та:- : как репиp куляцию Осуществляют прОдуктами ..Оре ния топлива, поступающими из камеры горения в реакционную камепу.

Цель изобретения — увеличение выхода сажи (в расчеге на углеводород. подаваемый в реакт:зр), и структурнoc ти, Поставленная це..ь достига""=-тся тем что способ включает сжигание топлива с воздухом, подачу углеводородного сырья в продукты полного горения топлива, термическое разложение сырья в прОдуктах полного 1 Оpf»ш1я ТОплива с образованием сажега овых продуктов, отбор 2-2б об.7 сажегазовых продуктов и подачу их на сжигание в качестве топлива: закалку сажегазовых продуктов (основного потока) и последующее отделение сажи От газообразных продуктов; подаваемые на сжигание сажЕГа -;OBbIB ."»PO K Tb! I»JIæÅK TIPÓIOT ВОЗДУхом под давлением 4-8 ати.

Реактор для осуществления прецлагаемого способа содержит послеповательно установленнь е камеру горения с патрубками для подачи топлива и воздуха и форсункой для подачи сырья, и реакционную камеру с форсункой для подачи закалочного агента и трубой для отбора сажегазовых продуктов, входной торец которой установлен перед форсункаи, "я палачи закалочногo

"-..ã"å1lTÿ и инжектор установленный между выходным торцам трубы для отбора сажегазовых продуктов и патрубком для подачи топлива и воздуха В камеру горения.

Использование в качестве топлива высокотемпературных сажегазавь1х продуктов пОзвОляет исключить из процесг а ПО Цр ЧУ В С ПОМОГ ат1»Л ЬН ОГО В1»1СОКОК а— лорийнОПО углеводородного тОплива в в результате чего возрастает .зффективность процесса за счет увеличения выхода са1юя в расчете на используемый в процессе углеводород а также ее структурность. С другой стороны использование в качестве топлива сажегазовых прод »к, ов калорийност»ь котоpbIx значительно меньше яем вспомога850642 тельного топлива, позволяет уменьшить количество избыточного воздуха, подаваемого в камеру горения. Расход воздуха близок к стехиометрическому, но при этом температура в камере горения не превышает допустимую, при которой обеспечивается стойкость футеровки камеры горения. Кроме того, подача в камеру горения в качестве топлива высокотемпературных сажегазовых продук- !О тов позволяет использовать их физическое тепло на разложение углеводородного сырья. В результате увеличивается выход сажи в расчете на используемый в процессе углеводород. Минимальный !5 расход,(2 об.7) рециркулируемых саже. газовых продуктов определяется необходимостью обеспечения достаточного количества тепла для разложения углеводородного сырья. 20

При увеличении расхода рециркулируемых сажегазовых продуктов выше

26 об.X эффект повышения выхода сажи становится минимальным в связи с ростом количества сажи, которая при этом р5 сгорает в камере горения.

С точки зрения повышения экономичности процесса и улучшения условий сгорания рециркулируемых сажегазовых

30 продуктов при осуществлении предлагаемого способа получения сажи целесообразно рециркуляцию сажегазовых продуктов осуществлять путем инжекции воздухом, подаваемым под давлением

4-8 ати. Пределы изменения давления воздуха выбраны опытным путем и соответствуют условиям оптимальной работы инжектирующего устройства. Предлагаемая конструкция реактора позволяет

40 реализовать способ получения сажи на существующих реакторах с минимальными затратами и является универсальной для саж с широким диапазоном свойств.

Присоединение выходного торца трубы, 45 входным торцом установленной в реакционной камере, посредством инжектора обеспечивает, кроме того, возможность регулирования количества рециркулируемых сажегазовых продуктов путем из50 менения параметров воздуха, подаваемого в инжектирующее устройство.

На фиг. 1 представлен предлагаемый реактор для получения сажи, продольный разрез на фиг. 2 — то же nonej ° Э

55 речный разрез.

Реактор для получения сажи включает корпус 1, в котором последовательно и соосно расположены, соединенные

Ь друг с другом, камера горения 2, сопло 3 и реакционная камера 4; в камере горения 2 установлена аксиально сырьевая форсунка 5 (которая устанавливается и радиально). Камера горения 2 циклонного типа снабжена двумя тангенциальными патрубками 6 и 7 (патрубки устанавливаются и аксиально) для подачи топлива и воздуха. В тангенциальном патрубке.6 установлена горелка 8 для сжигания углеводородного топлива. Тангенциальный патрубок 7 соединен с инжектором, который включает камеру смешения 9 и,приемную ка- меру 10 ° Приемная камера 10 трубой ll, футерованной огнеупорным материалом, соединена с реакционной камерой 4.

В приемнчй камере 10 по ее продольной оси подвижно устанавливается форсунка 12, выходная насадка 13 которой выполняется в виде сопла Лаваля. Форсунка 12 патрубком соединена с источ). ником воздуха под давлением (не показан). В конце реакционной камеры 4 после точки присоединения входного торца трубы 11, устанавливаются форсунки 14 для подачи закалочного агента.

Способ получения сажи в реакгоре осуществляется следующим образом.

В форсунку 12 инжектора подают по стрелке А воздух в количестве от 100 до 500 нм /ч под давлением от 4 до

8 ати. Поток воздуха из выходной насадки 13 форсунки 12 поступает в камеру смешения 9 инжектора и создает разрежение в приемной камере 10 инжектора. В результате этого из реакционной камеры 4 через входной торец трубы ll в приемную камеру !О инжектора поступают сажегазовые продукты с температурой !380-1400 С, которые в камере смешения 9 инжектора смешиваются с потоком воздуха. Получаемая смесь поступает через тангенциальный патрубок 7 в камеру горения 2 и горючие компоненты сажегазовых продуктов сгорают с образованием потока продуктов полного горения. Для обеспечения полного сгорания в камеру горения 2 через тангенциальный патрубок 6 подают по стрелке Б воздух на горение с температурой 230 С. В поток продуктов

0 горения, поступающий через смесительное сопло 3 в реакционную камеру 4, через сырьевую форсунку 5 подают по стрелке В распыленное углеводородное сырье, предварительно подогретое до

850642

100оС, в количестве 500 кг/ч. Для лучmего распыления сырья s форсунку 5 подают по стрелке Г воздух под давлением 6 ати с температурой 250 С в колио честве 300 нм9/ч. В качестве сырья ис- польэована смесь .зеленого масла и антраценового масла в соотношении 1:1.

В реакционной камере 4 углеводородное сырье за счет тепла продуктов горения при 1550 С разлагается с выде- lo лением сажи. Получаемые высокотемпературные сажегазовые продукты разделяют на две части. Одну часть в количестве от 2 до 26 об.Х подают на сжигание в качестве топлива в камеру горения. 15

При этом количество рециркулируемых сажегазовых продуктов составляет от О,1 до 1,0 нм /i.r сырья. Другая (oc— новная) часть сажегазовых продуктов проходит в зону охлаждения и в нее.е 2о через 4йзрсунки 14 под давлением 14 ати Расход сырья, кг/ч .500

Э

Расход топлива, нм /ч 500

2280 1750 1000 880 660

Расход воздуха в инжектор, нм 3/ч

0,154 0,615 1,0

0,1

6,04 6,86 5,!7 5,09 5,21

13,01

СО

10,85 9,4 17,6 17,8 19,02

Расход воздуха на горение, нм /ч

Давление воздуха в инжекторе, кг/см

Количество рециркулируемых сажегазовых продуктов на сжигание, об„й

Удельный расход рециркулируемых сажегазовых продуктов, нм /кг сырья

Состав реакционных газов, об.Х:.подают по стрелке Д закалочный агент (распыленную воду). Охлаждаемые до

650 С сажегаэовые продукты выходят из о реактора и поступают в систему устройств для отделения сажи от газообразных продуктов реакции.

В период разогрева реактора и выведения его на режим получения сажи в тангенцнальный патрубок 6 камеры горения 2 подают через горелку 8 по стрелке Е углеводородное топливо (пропанбутановую смесь) в количестве

50 нм3/ч. В дальнейшем подача углеводородного топлива уменьшается или прекращается полностью.

В таблице приведены результаты опытов по предлагаемому способу, проведенных в условиях подачи различных количеств сажегазовых продуктов на сжигание в качестве топлива, в сравнении с известным.

500 500 500 500

100 270 315 500

2,03 4,34 16 0 26

11,36 L1,75 10,21 10,20

850642

Параметры

Способ

Предлагаемый

Известный

0,63 0,65 0,83

0,86 0,85 0,37

0,37

0,54

С Н 2

0 с т а л ь н о е

39,4

Как видно из таблицы, величины выхода сажи в расчете на используемый в процессе углеводород значительно

25 выше, чем в известном способе и реакторе для получения сажи. Кроме того, при осуществлении предлагаемого способа и реактора для получения сажи наблюдается довольно значительное повы30 шение структурности сажи (по масляному числу).

При незначительных затратах на изготовление и монтаж рециркуляционного устройства, предлагаемый способ и реактор для получения сажи может быть

35 осуществлен на действующих в промышленности реакторах для получения сажи.

1. Способ получения сажи, включающий сжигание топлива с воздухом подачу углеводородного сырья в продукты полного горения топлива, термическое разложение сырья в продуктах полного горения топлива с образованием сажегаэовых продуктов, отбор части сажегазовых продуктов и подачу их в процесс, закалку сажегазовых продуктов и последующее отделение сажи от газообразных продуктов, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения выхода и структурности сажи, от45

Выход сажи в расчете на используемый в процессе углеводород, вес.7

Масляное число, мл/100 г126

Удельная геометрическая поверхность (кинетический метод), м /r 74

Формула изобретения

42,2 54,1 57,6 58,4

138 146 148 150

72,4 75 73,5 71 бирают сажегазовые продукты в количестве 2-26 об.X и подают на сжигание в качестве топлива.

2. Способ по п. ), о т л и ч а юшийся тем, что подаваемые на сжигание сажегазовые продукты инжектируют воздухом под давлением 4-8 ати.

3. Реактор Для осуществления способа по и. !, содержащий последовательно установленные камеру горения с патрубками для подачи топлива и воздуха и форсункой для подачи сырья, и реакционную камеру с форсункой для подачи закалочного агента и трубой для отбора сажегазовых продуктов, входной торец которой установлен пе-, -ред форсункой для подачи закалоч-ного агента, о т л и ч а ю щ н и с я тем, что, он содержит инжектор, установленный между выходным торцом трубы для отбора сажегазовых продуктов и патрубком для подачи топлива и воздуха в камеру горения.

Источники информации, .принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США У 26/2402, кл. 23-209.8, опублик. 16.03.54.

2. Патент США У 3645685, кл. С 09 С 1/50, опублик..29,02.72 (прототип/ ..

850642

Составитель Т. Ильинская

Редактор Ю. Середа Техред Н. Ковалева Корректор .

Заказ 6243/31 Тираж 684 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1!3035, Москва Ж-35 Рауиская наб.> g. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород. ул. Проектная„ 4