СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САЖИ И РЕАКТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING SOOT AND REACTOR FOR REALISING SAID METHOD

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.
2
При вводе воды в одном сечении смесительного сопла увеличилась адсорбция дибутилфталата, удельная внешняя поверхность, удельная поверхность по адсорбции N.
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, нм<sup>3</sup>/час
170
170
Расход технологического воздуха, нм<sup>3</sup>/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), м<sup>2</sup>/г
108
130
Удельная поверхность по N<sub>2</sub> (NSA, ASTM D6556), м<sup>2</sup>/г
110
128
Йодное число, ASTM D 150, мг/г
106
130
Адсорбция дибутилфталата, (DBP, ASTM D 2414), см<sup>3</sup>/100 г
115
140
Светопропускание толуольного экстракта, %
98
98