СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУАКТИВНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА
METHOD OF PRODUCING SEMI-ACTIVE TECHNICAL CARBON

Настоящее изобретение относится к производству технического углерода из жидкого углеводородного сырья путем термоокислительного разложения (пиролиза) и может быть использовано для получения полуактивного технического углерода, применяемого в резиновой промышленности в качестве компонента резиновых смесей для шин и других резинотехнических изделий.
В настоящее время для получения полуактивного технического углерода используют различные способы.
3
Известны способы получения технического углерода путем термического разложения жидкого углеводородного сырья, включающие двухстадийную подачу углеводородного сырья в реактор. Сырье подается в распыленном виде частями через аксиальную сырьевую форсунку и радиальные форсунки. Распыл сырьевой смеси в сырьевых форсунках осуществляют воздухом высокого давления (авторское свидетельство SU 1040773 A, опубликовано 30.11.1985 г., авторское свидетельство SU 1099601 A1, приоритет 10.08.1996 г. ). При этом распыл сырьевой смеси в форсунках осуществляют воздухом высокого давления при 450-800°С при общем расходе воздуха 2,4-2,8 нм/кг (SU 1040773 A).
3
В соответствии с SU 1099601 A1 дополнительно в реактор в поток сажегазовых продуктов подают газообразный окислитель, содержащий свободный кислород с расходом подаваемого с окислителем свободного кислорода 0,01-0,08 нм/кг сырья и топлива, а поток сажегазовых продуктов после подачи в него окислителя сужают и расширяют при отношении скоростей суженного потока и потока сажегазовых продуктов перед сужением 1,4-4.
-3
Известен способ получения технического углерода, включающий образование суженного потока смеси топлива с окислителем при отношении концентраций окислителя и топлива 0,75-0,95 от стехиометрического при среднем значении коэффициента избытка окислителя в смеси 1,2-1,8 и скорости данного потока больше скорости распространения пламени в зоне горения в 1,-2,5 раза, введение его в зону горения с одновременным его расширением и воспламенением, введение углеродного сырья в поток продуктов горения радиально через (1-5)⋅10 с после воспламенения смеси с последующим расширением или сужением потока с последующим расширением и термическое разложение его с образованием смеси углерода и газообразных продуктов, закалку впрыском воды и выделение углерода (патент RU 2114138 С1, опубликовано 27.06.1998 г. ).
Общим недостатком известных способов получения технического углерода является низкое качество получаемого технического углерода с параметрами, не соответствующими требованиям спецификации, в первую очередь с низким уровнем по показателю «светопропускание толуольного экстракта».
Существенным недостатком известных способов также является низкая производительность процесса получения технического углерода, обусловленная коксованием реактора, приводящего к образованию грита (т.е. коксовых частиц) и возникновению отклонений по показателю «Остаток на сите с сетками 05 и 0045» (ГОСТ 7885-86).
Известен способ получения полуактивного технического углерода. В соответствии с этим способом технический углерод получают из жидкого углеводородного сырья путем его термоокислительного разложения в реакторе, включающим предварительный нагрев жидкого углеводородного сырья до температуры 150-200°С и технологического воздуха до температуры 650-700°С, смешивание топлива с нагретым технологическим воздухом с коэффициентом избытка воздуха 1,2-1,3, организацию полного горения топливной смеси в камере горения при температуре не выше 1750°C с образованием потоков дымовых газов, поступающих в зону смешения с увеличением скорости, достигаемым за счет уменьшения сечения в зоне смешения, радиальную подачу в поток дымовых газов углеводородного сырья, распыляемого воздухом высокого давления с температурой 60-80°С при условии соотношения скоростей сырья и дымовых газов 1:(3-5), смешивание углеводородного сырья в потоке дымового газа с образованием потока углеводородогазовой смеси, введение последнего с уменьшением его скорости за счет расширения в камеру реакции, его испарение и термоокислительное разложение с образованием аэрозоля технического углерода и его охлаждение путем впрыска химически очищенной воды (патент RU 2394054 С2, опубликовано 10.07.2010 г. ).
Недостатком известного способа получения технического углерода является низкое качество получаемого технического углерода, не соответствующее требованиям спецификации, вследствие коксования реактора, что, в свою очередь, приводит к возникновению отклонений по показателю «Остаток на сите с сетками 05 и 0045».
Наиболее близким к заявляемому изобретению является принятый за прототип способ получения технического углерода из жидкого углеводородного сырья (международная заявка WO 2014149455, опубликована 25.09.2014). Способ предусматривает предварительный нагрев сырья и воздуха, смешивание воздуха с газообразным топливом, горение топлива в присутствии воздуха с образованием продуктов горения, подачу в продукты горения распыленного жидкого сырья, содержащего разбавительную текучую среду, которую осуществляют соосно реакционной камере, сужение потока и термоокислительное разложение сырья в реакционной камере с образованием технического углерода. Способ предусматривает, что в качестве текучей среды может быть использован водяной пар.
Недостатком ближайшего аналога, как и других известных способов получения технического углерода, является низкое качество получаемого технического углерода.
Задачей настоящего изобретения является решение проблемы коксования реактора в процессе получения полуактивного технического углерода, а также расширение сырьевой базы для производства технического углерода за счет использования сырья с повышенной коксуемостью при одновременном получении технического углерода высокого качества.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении качества получаемого технического углерода за счет уменьшения образования грита и снижения коксования реактора. Технический результат заключается также в уменьшении энергетических затрат на получение технического углерода из жидкого углеводородного сырья.
Технический результат достигается тем, что в способе получения полуактивного технического углерода из жидкого углеводородного сырья, включающем предварительный нагрев жидкого углеводородного сырья и технологического воздуха, смешивание последнего с природным газом и горение полученной смеси с образованием потоков продуктов горения, аксиальную подачу в них потока распыленного жидкого углеводородного сырья, содержащего водяной пар, сужение образовавшегося потока распыленного углеводородного сырья и продуктов горения, его термоокислительное разложение с образованием технического углерода, согласно изобретению перед подачей в потоки продуктов горения углеводородное сырье распыляют водяным паром.
В одном из вариантов осуществления способа для распыления углеводородного сырья подают водяной пар под давлением 8-12 атм.
Известно, что образование коксовых частиц происходит из относительно «крупных» сырьевых капель, которые присутствуют в сырьевом потоке при распыле сырья воздухом высокого давления. Применение в заявляемом способе для распыления углеводородного сырья водяного пара вместо воздуха высокого давления позволило получить более однородный состав сырьевого потока по размеру капель и уменьшить их размер и тем самым улучшить качество распыления. В результате полученного эффекта увеличивается скорость реакции образования технического углерода, то есть снижается время нагрева и испарения капли, что исключает образование коксовых частиц в процессе получения технического углерода. Замена воздуха высокого давления паром также позволила снизить энергетические затраты процесса производства технического углерода.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез реактора для осуществления заявленного способа получения полуактивного технического углерода.
Реактор содержит корпус 1, в котором последовательно и соосно расположены воздушная камера 2, камера 3 горения, зона 4 смешения, реакционная камера 5 и зона 6 охлаждения (закалки) аэрозоля технического углерода.
В воздушной камере 2 параллельно продольной оси реактора установлены четыре диффузионные топливные горелки 7 таким образом, что их распылители расположены на входе в камеру 3 горения. Топливные горелки 7 обеспечивают равномерное распределение топлива в предварительно нагретом технологическом воздухе. Воздушная камера 2 снабжена патрубками 8 для подачи воздуха на горение топлива. В воздушной камере 2 аксиально установлена пневмомеханическая сырьевая форсунка 9. Сырьевая форсунка 9 соединена с источниками (не показаны) для подачи под давлением сырья и водяного пара. В конце реакционной камеры 5 установлена зона 6 закалки.
Согласно изобретению получение полуактивного технического углерода осуществляют следующим образом.
Предварительно нагревают жидкое углеводородное сырье до температуры 150-180°С и технологический воздух среднего давления (0,45-0,55 бар) до температуры 650-700°С. Предварительно подогретый воздух среднего давления со средним коэффициентом избытка воздуха 1,27 через патрубки 8 поступает в воздушную камеру 2 и проходит в камеру 3 горения. Топливо (природный газ) подается в камеру 3 горения через топливные горелки 7 и сжигается с воздухом. Диаметр каждой топливно-воздушной струи составляет 230 мм. Она движется по внутренней поверхности камеры 1 горения длиной 1,5 м со средней скоростью 65 м/с. В продукты горения природного газа воздуха, образующиеся в камере 3, через аксиальную форсунку 9 подают жидкое углеводородное сырье.
Углеводородное сырье вводится в камеру 3 горения реактора через форсунку 9, в которой распыляется водяным паром. В эту же камеру 3 горения для осуществления процесса горения поступают природный газ и воздух. Таким образом, в камере 3 горения образуются продукты горения, которые по ее периферии движутся в направлении реакционной камеры 5, а по центру камеры 3 горения по направлению к реакционной камере 5 движется вышедшее из форсунки 9 распыленное сырье, причем в каждой точке камеры 3 горения содержатся продукты горения. Процесс смешения продуктов горения и распыленного сырья начинается в камере 3 горения, и для его интенсификации выполняют сужение реактора с образованием зоны 4 смешения, где идет сужение потоков сырья и продуктов горения и активное образование смеси сырья и продуктов горения. Далее смесь паров углеводородного сырья и продуктов горения топлива поступает в реакционную камеру 6, диаметр которой составляет 700 мм, где сырье подвергается термоокислительному разложению с образованием технического углерода. Далее продукты реакции охлаждают в зоне 6 закалки.
Для распыления сырья в форсунку 9 подают пар под давлением 8-12 атм. Диапазон изменения давления пара позволяет оперативно влиять на конечный качественный результат и управлять уровнем показателя «Остаток на сите с сетками 05 и 0045», а также поддерживать его значительно ниже требуемого уровня. В качестве сырья используют сырьевые смеси, состоящие из продуктов переработки нефти, коксохимического сырья, коксохимических смол и пиролизных смол.
Примеры реализации заявленного способа получения полуактивного технического углерода приведены ниже в таблице.