Brevet FR2535334A1 — publié le 19840504

2535334. BRULEUR A NOIR DE CARBONE Les noirs de carbone peuvent être préparés par des -procédés variés dont les plus courants sont le procédé pour noir de lampe, le procédé au tunnel le procédé au four à gaz, le procédé au four à huile, le procédé thermique et le procédé pour noir d'acétylène Dans le procédé au four à huile, qui est le plus économique et le plus couramment uti- lisé parmi les procédés courants, on brûle un combustible hydrocarboné avec un oxydant tel que l'air au sein d'une chambre close, habituellement chemisée d'un réfractaire, et on injecte une huile de charge dans les gaz de combustion résultants L'industrie des noirs de carbone-utilise des dispositifs très variés pour mélanger et introduire l'huile de charge, l'oxydant et le combustible de combustion dans un réacteur de four à huile et elle a mis au point des géo- métries variées de réacteurs pour tenter d'aboutir aux com- binaisons désirées de propriétés dans le produit final Une partie essentielle d'une installation pour noir de four du type à huile est celle o la totalité de l'huile de charge introduite est "atomisée" en des gouttewlettes minuscules-, ce qui permet sa vaporisation rapide avant de subir la transformation en noir de carbone Toute huile qui subit une réaction à l'état liquide avant d'être vaporisée tend à for- mer des particules abrasives indésirables dans le noir de carbone produit (Dans la suite du présent mémoire, on uti- lisera le terme "particules abrasives" pour désigner des particules et autres impuretés qu'on trouve dans le noir de carbone) En général on réalise l'atomisation en mélangeant la charge d'huile avec un courant d'un fluide sous pression tel que l'air ou bien en éjectant l'huile sous haute pres- sion à travers des buses d'atomisation Les caractéristi- ques des gouttelettes telles que la dimension, la concentra- tion ou la géométrie de la pulvérisation ont une répercus- sion sur l'efficacité de la vaporisation d'huile et cette dernière peut affecter à son tour le noir de carbone pro- duit. 2535334. _ 2 _ Selon la présente invention, on envisage un brûleur à noir de carbone pour un procédé au four à huile qui per- met de réduire la teneur en particules abrasives d'un noir de carbone produit lorsqu'un tel problème se pose. Il n'existe aucune théorie logique pour classer en catégories spécifiques les effets d'introduction de diver- ses modifications structurales dans les ensembles de brû- leurs à noir de carbone En particulier, il existe une ab- sence d'accord concernant la façon dont les modifications structurales du brûleur peuvent influer sur les propriétés du noir de carbone ainsi produit On a cependant trouvé que la construction du brûleur selon la présente invention est spécialement avantageuse pour réduire la teneur en particu- les abrasives du noir de carbone produit par un procédé au four à huile, procédé dans lequel la charge d'huile est atomisée avant son injection dans le courant de gaz de com- bustion. L'invention a pour objet un ensemble de brûleur com- portant un montage intérieur d'atomisation pour produire un courant atomisé d'huile de charge qui est déchargé à tra- vers un orifice dans la flamme d'un gaz de combustion Nor- malement, l'orifice de décharge d'huile est entouré d'une pluralité d'orifices qui dégagent un gaz combustible se com- binant avec l'air oxydant pour former une gaine de gaz de combustion chauds qui entourent la pulvérisation d'huile au fur et à mesure de son injection dans la chambre du réac- teur Pour obtenir une pulvérisation efficacement atomisée d'huile de charge, qui soit efficacement vaporisée et donne un noir de carbone à faible teneur en particules abrasives, on dispose au moins une sortie de l'huile de charge de fa- çon à injecter l'huile de charge radialement dans un pas- sage de fluide d'atomisation en un point de l'ensemble du brûleur proche de l'extrémité du passage du fluide d'atomi- sation communiquant avec l'orifice de décharge débouchant dans la chambre du réacteur Avec un tel agencement, l'hui- le de charge est atomisée en l'injectant radialement dans -3- un courant de fluide d'atomisation circulant dans un conduit ce qui fait que ladite charge est dispersée-en petites gout- telettes qui sont déchargées sous forme d'une fine pulvéri- sation à travers un orifice de décharge dans le réacteur en vue de la vaporisation et de la formation du noir de car- bone De préférence, une pluralité de sorties d'huile de charge sont installées de manière-à injecter l'huile de charge radialement dans le passage du fluide d'atomisation. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description détaillée qui va sui- vre en se référant au dessin ci-annexé dont la figure uni- que est une coupe transversale d'une extrémité de décharge d'un-mode de réalisation préféré du brûleur selon l'inven- tion. Le brûleur 10 à noir de carbone comprend trois con- duits concentriques principaux qui sont disposés respecti- vement les uns dans les autres: un corps cylindrique exté- rieur 12, un tube pour l'huile 14 et un conduit pour fluide d'atomisation 16 Les surfaces intérieures et extérieures du tube pour l'huile 14 et du conduit pour fluide d'atomi- sation 16 sont logées dans le corps 12 du brûleur avec des jeux calculés pour définir des passages annulaires 18 et 20. Les conduits concentriques se terminent conjointement au bec 22 de décharge du brûleur Les extrémités du corps 12 du brûleur et du tube pour l'huile 14 sont taraudées pour recevoir les extrémités filetées du bec de décharge 22 Un passage annulaire 24 formé dans le bec -de décharge 22 com- munique avec le passage annulaire 18 et aboutit à une plu- ralité d'orifices de décharge 26 qui sont situés dans un plan commun normal à l'axe de l'ensemble du brûleur et sont espacés de façon circonférentielle et égale autour du bec de décharge Dans le centre du bec de décharge 22 se trouve un passage de sortie 28 en communication avec le passage pour fluide 17 et aboutissant à un orifice de décharge 30. Les parois du conduit 16 pour le fluide d'atomisation-pré- sentent une pluralité de passages 32 de sortie d'huile qui 4- communiquent avec le passage annulaire 20 et débouchent dans le passage pour fluide 17 à proximité de son extrémité qui communique avec le passage 28 Les sorties 32 sont es- pacées de façon équidistante dans un plan commun autour de la périphérie du conduit 16. Le brûleur 10 fonctionne de la façon suivante: un gaz combustible indiqué par la flèche G est introduit dans un orifice à l'extrémité éloignée (non représentée) de l'ensemble du brûleur et descend par le passage annulaire 18 et l'espace défini par la paroi extérieure du tube pour l'huile 14 et la paroi intérieure du corps 12 du brûleur A l'extrémité de la buse 22 du brûleur, le gaz est admis dans le passage 24 et débouche dans le four (non représenté) à travers les nombreux orifices de décharge 26 qui sont espa- cés circonférentiellement autour du bec de la buse. L'huile de charge, indiquée par la flèche O est ad- mise dans le brûleur 10 à travers un orifice à l'extrémité éloignée (non représentée) de l'ensemble de brûleur et des- cend par le passage annulaire 20 et l'espace défini par la paroi extérieure du conduit 16 pour fluide d'atomisation et la paroi intérieure du tube pour l'huile 14 A l'extré- mité de décharge 22 du brûleur, l'huile de charge pénètre par les passages de sortie 32 qui sont espacés de façon équidistante autour de la périphérie du conduit 16 pour fluide d'atomisation et aboutissent au passage pour fluide 17 Les sorties 32 sont disposées de manière à injecter l'huile de charge radialement dans le passage pour fluide 17. Le fluide d'atomisation, tel que l'air comprimé, in- diqué par la flèche A est admis dans le brûleur 10 à travers un orifice à l'extrémité éloignée semble du brûleur et descend par le passage 17 qui communi- que avec le passage 28 à l'extrémité de décharge 22 du br - leur Alors que le fluide d'atomisation circule à travers le conduit 16, il sert à atomiser le courant d'huile de charge en cours d'injection dans le passage pour fluide par -5- les sorties 32 Les gouttelettes d'huile sont brièvement mélangées avec le fluide d'atomisation et sont balayées à travers le passage 28 vers l'orifice de décharge 30 Le cou- rant d'huile atomisée sort sous forme d'une pulvérisation à travers l'orifice de décharge 30 dans le four (non représen- té) L'huile de charge est entourée par la flamme de gaz de combustion pour réagir et produire du noir de carbone en conformité avec des techniques classiques bien connues. Le dessin représente un mode de réalisation préféré de l'invention dans lequel le passage de sortie diverge vers l'orifice de décharge 30 avant de déboucher dans l'extrémité de décharge On a représenté six sorties 32-d'huile dispo- sées de façon équidistante autour du passage du conduit pour fluide d'atomisation en un point qui précède tout jus- te l'extrémité de décharge Une section divergente avant l'orifice de décharge n'est pas nécessaire; le conduit pour fluide d'atomisation peut mener directement à l'orifice de décharge, ou on peut employer des combinaisons de tronçons droits, convergents et divergents. Un mode de réalisation préféré, qui est représenté sur le dessin, est un montage dans lequel l'huile de charge est injectée radialement vers l'intérieur dans le courant du fluide d'atomisation à partir d'une pluralité de sorties espacées d'une façon équidistante autour de la périphérie d'un conduit de fluide d'atomisation Cependant, l'intro- duction radiale de la charge peut également se faire par d'autres montages Il n'est pas-indispensable que les sor- ties d'injection de la charge d'huile soient équidistantes les unes des autres autour de la périphérie du conduit du fluide d'atomisation, et il n'est pas davantage nécessaire que ces sorties occupent des positions équidistantes de l'orifice de décharge En outre, l'injection radiale d'hui- le dans le courant d'atomisation peut se faire radialement vers l'extérieur depuis le centre du conduit de fluide d'atomisation L'introduction radiale vers l'extérieur pour- rait se faire facilement si l'on installe le tube pour 2535334. huile de charge concentriquement à l'intérieur d'un conduit de fluide d'atomisation Des passages de sortie pourraient être installés autour de la périphérie du tube pour l'huile pour injecter l'huile de charge radialement vers l'extérieur en direction du passage annulaire pour fluide d'atomisation qui entoure le tube pour l'huile. Pour déterminer les propriétés analytiques et physi- ques des granulés de noir fabriqués par la présente inven- tion, on fait appel aux essais suivants. INDICE D'ADSORPTION D'IODE On détermine l'indice d'adsorption d'iode d'un noir de carbone conformément au procédé ASTM D-1510-70. "SPECTRONIC 20 " Il s'agit d'une technique pour déterminer le degré de changement de teinte du toluène par le noir de carbone en utilisant un spectrophotomètre Le pourcentage de trans- mission est déterminé selon ASTM D-1618. INDICE D'ABSORPTION DE PHTALATE DE DIBUTYLE (DBP) On détermine l'indice d"absorption de DBP d'un noir de carbone selon le procédé ASTM D-2414-76. FORCE TINCTORIALE On détermine la force tinctoriale d'un échantillon de noir de carbone par rapport à un noir industriel de ré- férence par le procédé ASTM D-3265-76 a. TENEUR EN PARTICULES ABRASIVES On détermine la teneur en particules abrasives d'un échantillon en préparant une dispersion dans l'eau du noir en question et en la faisant passer à travers un tamis nor- malisé désiré Lestparticules abrasives 45 indiquées sont déterminées par le résidu du tamis sous l'eau en utilisant un tamis de 45 microns (maille 325) selon le procédé ASTM D-1514-60. Les tableaux ci-après énumèrent les conditions opé- ratoires représentatives pour un ensemble de brûleur selon la présente invention Dans les essais présentés comme ex- empies, on utilise le brûleur en question conjointement 2535334. -7 - avec un appareil laboratoire approprié qui comprend en gé- néral un réacteur cylindrique à chemisage réfractaire Le brûleur est installé axialement à une extrémité du réacteur, son bec étant monté de manière à introduire une pulvérisa- tion de charge atomisée dans une chambre de réaction ayant un diamètre intérieur de 0,91 m ( 3 pieds) Le bec du brû- leur est placé dans un passage axial d'entrée ayant 38,1 cm ( 15 pouces) de diamètre et 11,4 cm ( 4,5 pouces) de longueur, qui diverge jusqu'à atteindre le diamètre de la chambre de réaction L'air de combustion est admis dans la chambre de réaction par le passage annulaire défini par le brûleur dans le passage d'entrée En un point situé à 2,67 mètres ( 8 pieds 9 pouces) vers l'aval, la chambre de réaction con- verge jusqu'à un diamètre de 0,68 m ( 2 pieds 3 pouces) et des buses de pulvérisation d'eau de refroidissement sont montés dans le passage du réacteur à une distance de 7,62 m ( 25 pieds) vers l'aval depuis le point o l'huile de charge pénètre dans la chambre de réaction, afin de terminer la réaction Le noir de carbone formé est refroidi puis est admis dans un appareil collecteur convenable Le noir duve- teux est fréquemment soumis à un traitement supplémentaire dans un appareil granulateur dans lequel sont formées des granulés ne s'agglomérant-pas. On pourrait facilement varier les conditions de la fabrication du noir de carbone, ce qui est parfaitement à - la portée d'un homme de l'art, afin de modifier le-produit résultant et d'obtenir une qualité particulière de noir de carbone désiré La conception particulière et les dimensions du brûleur et/ou du réacteur peuvent également être à l'ori- gine des modifications qu'on apporte aux conditions opéra- toires. 2535334. 8- TABLEAU A Essai Brûleur Sorties d'huile (nombre x diamètre) Passage de fluide d'atomisation (diamètre) Orifices de décharge de gaz combustible (nombre x diamètre x position Position de refroidissement Conditions opératoires Air de combustion Débit Température Air d'atomisation Débit Pression Gaz combustible Débit Pression Huile de charge Débit Pression + Température K (g/100 gallons US) Température de refroidissement Propriétés du noir de carbone Noir duveteux Indice d'iode Spectronic 20 Absorption DBP Noir granulé Indice d'iode Spectronic 20 Absorption DBP Force tinctoriale Particules abrasives de 45 microns Total Magnétique 6 x 3,3 mm 1,588 cm - 6 x 4 mm, env 45 7,6 m (en aval du bec du brûleur) 0,857 m 3/s 375 C 0,028 m 3/s 0,276 M Pa 0,003 m 3/s 0,828 M Pa 0,003 m 3/s 0,448 M Pa 149 C 24 ( 63,4 g/ms) 7770 C 29 mg/g 59 % de transmission 64 cm 3/100 g mg/g 88 % de transmission 62 cm 3/100 g 56 % 0,0074 % en poids 0,0017 % en poids On effectue une autre série d'essais en utilisant les conditions indiquées dans le Tableau B cidessous Les procédés d'essai servant à déterminer les propriétés analy- tiques des granulés de noir qu'on obtient par la présente invention sont les mêmes que précédemment Les propriétés analytiques sont énumérées dans le Tableau C ci-après. TABLEAU B Essai Br-uleur Sorties d'huile (nombre x diamètre) Passage d'air d'atomisation (diamè- tre) Orifices de décharge de gaz combustible Position de refroidissement (à partir du bec du br leur) 6 x 3 mm 12,5 mm 6 x 3 mm 12,5 mm 6 x 3 mm env 45 6 x 3 mm env 45 7,6 m 7,6 m 6 x 3 mm 12,5 mm 6 x 3 mm env 45 7,6 m Condition opératoires Air de combustion total Débit (m 3/s) Température, C Air d'atomisation Débit (m 3/s) Pression manométrique (M Pa) Gaz combustible Débit (m 3/s) Pression manométrique (M Pa) Huile de charge Débit (m 3/s) Pression manométrique (M Pa) Température, C K, (g/m 3) Température de refroidissement,( C) 0,950 0,032 0,496 0,096 1,034 0, 003 0,690 ,8 0,934 0,033 0,517 0,091 0,965 0,003 0,724 113,6 0,934 0,029 0,448 0,096 1,034 0,003 0,724 198,2 r> Ln t"J Ln (A LY I % O I TABLEAU C Essai Propriétés de noir de carbone Noir duveteux Indice d'iode (mg/g) Spectronic 20 (% transmission) Absorption DBP (cm 3/100 'g) Noir granulé Indice d'iode (mg/g) Spectronic 20 (% transmission) Absorption DBP (cm 3/100 g) Force tinctoriale (%) Particules abrasives de 45 microns Total Magnétique o o l 0,0128 0,0056 __ 0,0136 0,0026 0,0056 0,0029 ru> N Us N On w 11 - Les données ci-dessus correspondent à une série d'es- sais servant à démontrer la production de noir de carbone de qualité SRF Outre qu'on répond aux spécifications d'un noir SRF, on obtient également avantageusement de faibles - taux de particules abrasives. Les charges d'huile qu'on utilise dans les essais 1 à 4 sont des mélanges de trois charges séparées dont les- compositions et les propriétés types sont énumérées plus loin Dans l'essai 1, on utilise un mélange de 95 % de charge II et 5 % de charge III; dans l'essai 2 on utilise un mélange de 75 % de charge I et 25 % de charge II; dans l'essai 3, on utilise un mélange de 50 % de charge I et 50 % de charge II; et dans l'essai 4, on utilise 100 % de char- ge II. 12 - Charge I Hydrogène (%) 8,5 Carbone (%) 91,5 Rapport atomique d'hydrogène au carbone 1,11 Soufre (%) 0,04 Asphaltènes (%) 6 Densité A Pl à environ 15,6 C + 1,5 Densité à 15,60 C env 1,052 VISCOSITE SAYBOLT UNIVERSELLE à 54,4 C 250 à 98,9 C 62 Sédiment (%) 0,06 Cendres (%) 0,002 Sodium (ppm) 2 Potassium (ppm) 0,2 Point d'ébullition initial C (PEI) 204 Point d'ébullition 50 % C (PE 50 %) 370 Indice de correlation du bureau des mines (BMCI) (Visc /densité) 117 Indice de correlation du bureau des mines (BMCI) (P éb 50 %/densité) 134 Aromatiques (%) 90 Saturés (%) 10 REPARTITION DES NOYAUX AROMATIQUES (% d'Aromatiques) 1 Noyau (%) 25 2 Noyaux (%) 50 3 Noyaux (%) 12 4 Noyaux (%) 8 Noyaux (%) et supérieur 5 Résidu de carbone, Ramsbottom (%) 8 kg C/m 3 971,6 Résidu de carbone, Analyse thermogravimmétrique 2,9 (ATG) (%) 13- Charge II Hydrogène (%) Carbone (%) Rapport atomique d'hydrogène au carbone Soufre (%) Asphaltènes (%) Densité A Pl à environ 15,6 C Densité à 15,6 C env. VISCOSITE SAYBOLT UNIVERSELLE à 54,4 C à 98,9 C Sédiment (%) Cendres (%) Sodium (ppm) Potassium (ppm) P.E I ( C) P.E 50 % ( C) BMCI (Visc /Densité) BMCI (P E 50 %/Densité) Aromatiques (%) Saturés (%) REPARTITION DES NOYAUX AROMATIQUES (% d'Aromatiques) 1 Noyau (%) 2 Noyaux (%) 3 Noyaux (%) 4 Noyaux (%) Noyaux (%) et supérieur Résidu de carbone, Ramsbottom (%) kg C/m 3 Résidu de carbone, ATG (%) 7,6 92,3 0,98 0,06 + 6 1,029 0,02 0,002 0,1 ND ND 947,7 14 - Charge III Hydrogène (%) 7,3 Carbone (%) 92,4 Rapport atomique d'hydrogène au carbone 0,94 Soufre (%) 0,2 Asphaltènes, (%) 14 Densité A Pl à env 15,6 C + 0,8 Densité à 15,60 C env 1,070 VISCOSITE SAYBOLT UNIVERSELLE à 54,4 C 110 à 98,9 C 44 Sédiment (%) 0,008 Cendres (%) 0,002 Sodium (ppm) 2 Potassium (ppm) 0,2 P.E I ( C) 210 P.E 50 % ( C) 280 BMCI (Visc /Densité) 123 BMCI (P E 50 %/Densité) 116 Aromatiques (%) 99 Saturés (%) 1 REPARTITION DES NOYAUX AROMATIQUES {% d'Aromatiques) 1 Noyau (%) 12 2 Noyaux (%) 56 3 Noyaux (%) 12 4 Noyaux (%) 15 Noyaux (%) et supérieur 5 Résidu de carbone, Ramsbottom (%) 12 kg C/m 3 986,0 - Le gaz combustible utilisé dans tous les exemples est un gaz naturel ayant la composition suivante et le pou- voir calorifique (PC) ci-après Méthane 92,3 % Ethane 3,6 % Propane 0,9 % Butane 0,2 % Azote 2,8 % Anhydride carbonique 0,2 % PC supérieur (J/m 3) 31648 PC inférieur (J/m 3) 28573 Le brûleur selon l'invention se révèle particulière- ment avantageux pour la fabrication de noirs de carbone de four du type semi-renforçant et avec faible teneur en parti- cules abrasives (SRF) Cependant, en modifiant les débits des réactifs, les conditions dans le réacteur et d'autres paramètres, on peut obtenir des noirs de carbone ayant des structures variées. Il doit être bien entendu que la description qui. précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que toutes variantes ou modifications peu- vent y être apportées sans sortir pour autant du cadre géné- ral de la présente invention tel que défini dans les reven- dications ci-annexées. 16 - REVENDICATIONS 1. Ensemble de brûleur ( 10) à noir de carbone com- portant un agencement interne d'atomisation pour produire un courant atomisé d'huile de charge qui est déchargé à tra- vers un orifice dans la flamme d'un gaz de combustion, caractérisé en ce qu'on prévoit un agencement perfectionné d'atomisation d'huile de charge comportant au moins une sortie ( 32) d'huile de charge installée de manière à injec- ter l'huile de charge (O) radialement dans un passage ( 16) pour fluide d'atomisation, ladite sortie d'huile étant dis- posée au voisinage immédiat de l'extrémité du passage ( 16) pour fluide d'atomisation qui communique avec l'orifice de décharge ( 30). 2. Ensemble de brûleur à noir de carbone selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une sortie d'huile de charge disposée de manière à injec- ter l'huile de charge radialement vers l'intérieur dans le passage pour fluide d'atomisation. 3. Ensemble de brûleur à noir de carbone selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une sortie d'huile de charge disposée de manière à injecter l'huile de charge radialement vers l'extérieur dans le pas- sage pour fluide d'atomisation. 4. Ensemble de brûleur à noir de carbone selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une plu- ralité de sorties d'huile de charge disposées de manière à injecter l'huile de charge radialement dans un passage pour fluide d'atomisation. 5. Ensemble de brûleur à noir de carbone selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une plu- ralité de sorties d'huile de charge disposées autour de la périphérie d'un passage pour fluide d'atomisation en com- munication avec un orifice de décharge, lesdites sorties d'huile étant installées au voisinage immédiat de l'extré- mité du passage pour fluide d'atomisation en communication avec l'orifice de décharge et occupant des positions permet- 17 - tant d'injecter l'huile radialement vers l'intérieur dans le passage pour fluide d'atomisation. 6. Brûleur à noir de carbone selon la revendication , caractérisé en ce qu'on prévoit six sorties d'huile de charge disposées de façon équidistante autour de la péri- phérie du passage pour fluide d'atomisation. 7. Procédé au four à huile pour la fabrication de noir de carbone ayant une teneur réduite en particules abra- sives, caractérisé en ce qu'il consiste à-injecter une - charge d'huile radialement dans un courant de fluide d'ato- misation qui circule à travers un conduit dans un ensemble de brûleur à noir de carbone en un emplacement dans ledit conduit proche de l'extrémité de décharge du conduit pour fluide d'atomisation, de sorte que ladite huile de charge est atomisée en gouttelettes par ledit fluide d'atomisation, et à pulvériser les gouttelettes d'huile atomisée dans une chambre de réaction pour la formation de noir de carbone. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on injecte l'huile de charge radialement vers l'intérieur dans le courant de fluide d'atomisation. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on injecte l'huile de charge radialement vers l'ex- térieur dans le courant de fluide d'atomisation. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on injecte l'huile de charge dans le courant du fluide d'atomisation en une pluralité de points autour de la périphérie du conduit pour fluide d'atomisation.