Brevet FR2168330A1 — publié le 19730831

La présente invention se rapporte à la production de noir de carbone en employant un venturi dans la zone de réaction d'un ré acteur du type à précombustion. Dans la production de noir de carbone par la décomposition par pyrolyse d'une alimentation hydrocarbonée en amenant l'alimentation jusqu'à sa température de décomposition par mise en contact de l'alimentation avec des gaz de combustion chauds produits par l'oxydation d'un combustible, tel que du gaz naturel, avec un oxydant tel que l'air, la masse de produits réagissants est conduite à travers une zone de réaction, dans des conditions de formation de noir de carbone, une partie principale du noir de carbone étant considérée comme formée dans cette zone de réaction. Le noir de carbone est récupéré dans la partie aval du réacteur. Un des meilleurs réacteurs pour produire du noir de carbone est le type à précombustion décrit dans le brevet américain n" 2.564.700. On connatt le fonctionnement de réacteurs de configuration semblable avec un venturi placé dans la zone de réaction, c'est-à-dire la première zone en aval par rapport à la-zone de précombustion, tel que mis en évidence par des brevets tels que le brevet américain nO 3.490.869. Cependant, la demanderesse a maintenant découvert que si du noir de carbone est produit en employant un réacteur à précombustion ayant un venturi placé dans la zone de réaction, des noirs de carbone conférant au caoutchouc une résistance à l'abrasion excessivement élevée peuvent titre produits, lorsque l'ajutage axial d'entrée d'alimentation est placé pour décharger l'alimentation suivant une gamme de relations impliquant la distance en amont par rapport à l'entrée au venturi dans laquelle l'hydrocarbure est libéré et le diamètre de la gorge, ou diamètre minimum, du venturi. Selon la présente invention, on prévoit un procédé pour produire du noir de carbone qui consiste à former une masse réactionnelle comprenant une alimentation hydrocarbonée libérée dans la zone de pré combustion et un gaz de combustion chaud introduit dedans, et à conduire la masse réactionnelle à travers un venturi placé en aval par rapport à la zone de précombustion dans la zone de réaction pour former du noir de carbone. Du noir de carbone à propriétés préférées est produit lorsque le rapport entre (1) la distance (L) de l'entrée au venturi jusqu'au lieu géométrique de libération de l'alimentation hydrocarbonée dans la zone de combus tion et (2) le diamètre minimum (D) du resserrement du venturi est dans la gamme d'environ 0,29 à environ 1,25. Le procédé de la présente invention peut être mis en fonctionnement en employant des alimentations hydrocarbonées, des combustibles et des oxydants gazeux, comprenant des alimentations dérivées du pétrole, du gaz naturel et de l'air, tels que ceux qui sont classiquement employés pour produire du noir de carbone. I1 utilise, de manière semblable, des conditions opératoires de la technique antérieure, comprenant la température, les pressions, les rapports air/huile, les rapports air/gaz et analogues. Le procédé est réalisé dans un réacteur à précombustion du type auquel on s'est référé, dans lequel l'ajutage d'entrée employé pour l'introduction axiale de l'alimentation hydrocarbonée est placé pour libérer l'alimentation hydrocarbonée dans certaines limites définies ie long de l'axe longitudinal du réacteur. La présente invention sera maintenant décrite en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de réalisation du réacteur à précombustion, et La figure 3 illustre la variation des propriétés du noir de carbone produit et l'aspect critique impliqué par rapport à la libération d'alimentation hydrocarbonée le long de l'axe longitudinal de la zone de précombustion. On porte en abscisses le rapport entre la distance du lieu géométrique de libération d'alimentation hydrocarbonée à l'entrée au venturi, d'une part, et le diamètre de la gorge de venturi, d'autre part, et, en ordonnées, la résistance à l'abrasion pour 9.650 km, A indiquant l'entrée à la zone convergente du venturi. En se référant maintenant à la figure 1 > on représente le réacteur 1 ayant une zone axiale 2, qui est facultative, une zone de précombustion 3, une zone de réaction 4 dans laquelle le venturi 10 est placé. Le noir de carbone est récupéré sous forme de fumée par la sortie 5. Un ajutage d'alimentation hydrocarbonée 6, qui peut être placé pour décharger le long de l'aXe horizontal 17 de la zone de précombustion, fait projection dans la zone de précombustion 3. L'ajutage 6 peut autre combiné à des conduites 7 et 8 à travers lesquelles de l'air et/ou un combustible peuvent être axialement in produits. La zone de précombustion 3 est pourvue d'un ou de plu sieurs orifices de combustion 9 à travers lesquels on introduit un combustible et un oxydant gazeux, ou bien les produits de combustion chauds produits par l'oxydation d'un combustible. Ces gaz de combustion chauds se combinent avec l'alimentation hydrocarbonée introduite par la conduite 6 pour former une masse de produits réagissants dans des conditions de formation de noir de carbone. La masse réactionnelle est conduite dans la zone 4, qui est pourvue, de préférence à son entrée 16, d'un venturi 10. Ce venturi peut avoir n importe quelle dimension et n'importe quelle configuration. I1 peut te placé à n' importe quelle position dans la zone de réaction, de manière telle que la formation de noir de carbone ne soit pas sensiblement terminée avant l'entrée de la masse réactionnelle dans le tronc d'entrée 11 du venturi. De préférence, le venturi sera placé de manière telle que l'entrée 16 à son tronc convergent 11 coincide avec la paroi avant 20 de la zone de précombustion. De préférence, le venturi sera composé des troncs 11 et 12, réunis à leurs diamètres plus petits 13 et 14 par une section interposée 15 à diamètre sensiblement constant. Cependant, le venturi peut être composé de troncs convergent et divergent sans la présence de la section interposée 15. De préférence, l'angle de convergence du tronc d'entrée sera supérieur à l'angle de divergence du tronc de sortie. L'ajutage 6 d'entrée d'alimentation hydrocarbonée peut tre n'importe quel ajutage d'alimentation classique dans la technique. L'ajutage aura un angle inclus de pulvérisation d'environ 0 à 900. L'ajutage peut libérer l'hydrocarbure sous forme d'une partie centrale pleine ou d'un cône plein ou d'un cône creux, soit sous forme d'une masse d'alimentation, soit sous forme d'une alimentation mélangée avec un gaz d'atomisation. La zone de pré combustion 3 peut avoir n importe quelle longueur et n'importe quel diamètre. Tels que présentés sur la figure 3, les orifices 9 seront de préférence placés pour décharger tangentiellement dans la chambre de pré combustion à travers sa périphérie extérieure. La demanderesse a trouvé que des caractéristiques du noir de carbone impliquent le placement critique de l'ajutage d'alimen- tation dans la chambre de précombustion en relation avec l'entrée du venturi et avec le diamètre de la partie la plus resserrée du venturi. La présente invention est bien illustrée par les propriétés améliorées d'un noir de carbone produit en employant le procédé de la présente invention, lorsque ce noir de carbone est incorporé dans du caoutchouc et que l'on détermine la résistance à l'abrasion sur 9.650 km. Dans ce but, on a conduit une série d'essais dans des conditions s'appliquant à la production de noirs de carbone ayant sensiblement la m8me aire de surface. Ces essais ont été réalisés en employant la m8me alimentation hydrocarbonée dans le même réactueur, dans des conditions présentées ci-dessous. Alors que les noirs produits ntavaient pas tous des aires de surfaces identiques, ils étaient si comparables sous ce rapport que cela éliminait tout effet de variation de l'aire de surface des noirs sur le caoutchouc. La section de pré combustion du réacteur avait environ 30 cm de longueur le long de son axe horizontal et elle avait un diamètre d'environ 94 cm. Un venturi était placé à la sortie de la section de précombustion, dans une zone de réaction d'environ 38 cm de diamètre. Ce venturi était formé de deux troncs. L'entrée du tronc convergent ou tronc d'entrée était placée en cofncidence avec la paroi aval de la zone de précombustion. Le tronc d'entrée avait un diamètre d'entrée de 34 cm et s'amincissait uniformément jusqu'à un diamètre de 18 cm sur une longueur de 33 cm. Entre le tronc d'entrée et le tronc divergent ou tronc de sortie, on a placé un cylindre de diamètre sensiblement uniforme, ayant une longueur d'environ 2,5 cm et un diamètre de 18 cm. Le tronc de sortie augmentait uniformément de diamètre de 18 cm à 38 cm sur une longueur d'environ 70 cm. Dans ces conditions, des opérations ont été conduites pour produire des noirs de carbone,ayant sensiblement la m8me aire de surface. Le placement de l'ajutage le long de l'axe horizontal de la zone de précombustion était différent pour chaque essai, variant d'un point coïncidant avec la paroi amont de la chambre de précombustion jusqu a un point placé à 36 cm en aval, ce point étant à 5 cm à l'intérieur de la zone de réaction et à 2 cm à l'intérieur du tronc amont du venturi. Le noir de carbone produit pour chacun de ces placements de l'ajutage d'entrée d'alimentation a été mélangé dans du caoutchouc, et on a testé l'abrasion sur 9.650 km pour chacun des caoutchoucs résultants. Les résultats étaient comme suit, le placement de l'ajutage étant indiqué en cm en amont par rapport à l'entrée au venturi. TABLEAU Essai n 1 2 3 4 5 6 Placement de l'ajutage, cm (pouces) 30 (12) 25,5 (10) 15 (6) 10,2 (4) 5 (2) -5@(-2) Alimentation hydrocarbonée, litres/h (gallons/heure) 576 (152) 591 (156) 746 (197) 796 (210) 796 (210) 796 (210) Air axial,m3/h (pieds cubiques/ heure) 113 (4.000) 113 (4.000) 113 (4.000) 113 (4.0000) 113 (4.0000) 113 (4.000) Air tangentiel, m3/h (pieds cubiques/heure) 4250 (150.000) 4250 (150.000) 4250 (150.000) 4250 (150.000) 4250(150.000) 4250(150.000) Gaz tangentiel, m3/h (pieds cubiques/heure). 283 (10.000) 283 (10.000) 283 (10.000) 283 (10.000) 283 (10.000) 283 (10.000) Aire de surface du noir de carbone, m2/g 98 105 101,5 97 99 102 Résistance à l'abrasion du caoutchouc, 9650 km, 107 113 120 119 114 114 (L)/(D) tel que défini 1,71 1,43 0,856 0,571 0,286 (-)0,286 * * 5 cm dans la section convergente du venturi. La valeur de la résistance à l'abrasion du caoutchouc pour 9.650 km est reliée au placement d'ajutage le long de l'axe horizontal de la zone de précombustion sur la figure 3 dont les abscisses sont exprimées par (L)/(D), tel que défini. Ces résultats indiquent qu'il y a certains placements de l'ajutage d'alimentation d'hydrocarbure qui produisent des noirs de carbone supérieurs. Ces placements peuvent être définis en fonction du rapport entre L, la distance entre le lieu géométrique de la libération d'hydrocarbure de l'ajutage d'entrée z I'entrée au venturi, et D qui est le diamètre du resserrement de gorge du venturi. Par exemple, dans les essais précédents, le noir de carbone ayant la résistance maxima à l'abrasion pour 9.650 km a été produit pour une position d'ajutage à 15 cm à partir de l'entrée au venturi. Le venturi avait un resserrement de gorge de 18 cm. Le rapport L/D définissant la position de l'ajutage était alors 6/7 ou 0,856. En conséquence, alors, les résultats indiqués ci-dessus indiquent que des noirs de carbone conférant au caoutchouc des caractéristiques d'abrasion préférées sont produits pour des rapports dans la gamme d'environ 0,29 à environ 1,25, les distances employées étant exprimées suivant les mêmes unités. La présente invention ne doit pas autre considérée comme limitée aux réalisations spécifiques préalablement décrites. Par exemple, du gaz combustible peut être introduit axialement et éjecté à partir de sa conduite d'introduction à la périphérie par rapport à l'alimentation hydrocarbonée et sous des angles sensiblement droits par rapport à la libération de l'hydrocarbure. Dans ce cas, la structure du noir de carbone est réduite et le rendement en noir de carbone est augmenté. De manière semblable, le gaz combustible peut autre introduit axialement et libéré à la périphérie par rapport à la direction de la libération d'alimentation d'hydrocarbure à partir de l'ajutage mais parallèlement à cette direction. Dans ces réalisations, on peut rencontrer certaines dif- ficultés par suite des températures élevées auxquelles la conduite d'introduction d'alimentation hydrocarbonée est soumise. Pour compenser la détérioration de la conduite d'entrée d'alimentation due aux hautes températures, de l'air ou un combustible et de l'air peuvent être introduits à peu près à la température ambiante par un ou plusieurs tunnels déchargeant tangentiellement dans le tronc convergent du venturi, l'introduction étant faite à travers ntimpor- te quel nombre d'orifices 25 et 30 de la figure 1, par exemple, d'une manière qui ressemble beaucoup au cas où un combustible et/ou des gaz de combustion chauds sont introduits dans la zone de précombustion. De manière apparentée, alors qu'on a employé un venturi de configuration spécifique dans l'exemple illustrant la présente invention, celle-ci n'est pas limitée à n'importe quelle configuration particulière du venturi. Par exemple, les angles auxquels le venturi converge et diverge peuvent varier considérablement et indépendamment les uns des autres. Par exemple, l'angle suivant lequel le venturi converge peut tre d'environ 50 à environ 42 1/2 tandis que l'angle sous lequel le venturi peut diverger peut autre dans la gamme d'environ 20 1/2 à 450, si on le désire, tous les demi-angles étant ceux formés par l'axe horizontal du réacteur et la paroi du venturi. L'appréciation de certaines des valeurs de mesures indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'trie décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la production de noir de carbone par pyrolyse d'une alimentation hydrocarbonée dans un réacteur du type à précombustion en libérant une alimentation hydrocarbonée et de gaz à combustion chaud produit par l'oxydation d'un combustible avec un gaz contenant de l'oxygène libre, dans la zone de précombustion du réacteur, pour former une masse de produits réagissants, cette alimentation hydrocarbonée étant libérée axialement dans le réacteur en amont par rapport à un venturi placé dans une zone de réaction de ce réacteur, et en faisant passer cette masse de produits réagissants à travers le venturi et la zone de réaction pour former du noir de carbone, caractérisé en ce que l'alimentation hydrocarbonée est libérée dans le réacteur suivant un rapport L/D dans la gamme de 0,29 à 1,25, rapport dans lequel L est la distance entre le lieu géométrique de la libération d'alimentation hydrocarbonée et l'entrée du venturi et D est le diamètre du venturi, à son lieu géométrique de resserrement maximum. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le venturi est placé dans cette zone de réaction dans un lieu géométrique enamont par rapport au lieu géométrique auquel l'alimentation hydrocarbonée est sensiblement complètement transformée en noir de carbone. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'entrée au venturi coincide avec l'entrée à la zone de réaction. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le venturi comprend une section qui converge suivant un angle dans la gamme de 50 à 420 1/2 et une section qui diverge suivant un angle dans la gamme de 2" 1/2 à 450. 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz combustible est introduit axialement dans le réacteur sensiblement à angle droit par rapport à la direction de libération de l'alimentation hydrocarbonée. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz combustible est introduit axialement dans le réacteur de manière sensiblement parallèle à la direction de libération d'alimentation hydrocarbonée. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'air ou le combustible et l'air sont introduits tangentiellement à travers le tronc convergent du venturi. 8 - A titre de produits industriels nouveaux, noirs de carbone obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.