專利名稱：炭黑生產(chǎn)方法
通過碳?xì)浠衔?，例如石油、天然氣及其它已知物質(zhì)，在高溫下的不完全燃燒可生產(chǎn)炭黑。當(dāng)產(chǎn)物從反應(yīng)氣體中分離時，它是一種松散的炭黑粉末。
在生產(chǎn)炭黑的典型的爐法中，燃料和氧化劑(例如空氣)反應(yīng)以提供一種熱燃燒氣流。碳?xì)浠衔镌媳粐娙霟崛紵龤饬髦?，來生產(chǎn)炭黑。然后，含炭黑氣流的溫度利用任何傳統(tǒng)方法(例如水噴射)驟冷降低?？赏ㄟ^已知技術(shù)，例如旋風(fēng)分離器和過濾器從氣流中分離旋浮于其中的炭黑，然后造粒和干燥。
炭黑加入橡膠化合物中，用以賦予橡膠補強性能。在炭黑的許多性能中，對于橡膠工業(yè)來說最重要的性能是炭黑的粒徑分布。橡膠工業(yè)已發(fā)現(xiàn)，對于一定的目的，具有寬的粒徑分布的炭黑是十分合乎需要的。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種生產(chǎn)炭黑的方法，所生產(chǎn)的炭黑按炭黑的△D50增大計具有寬粒徑分布。
本發(fā)明的方法涉及將液體原料以非預(yù)霧化聚集氣流或預(yù)霧化氣流的形式，在兩個分離的位置上，噴入分級的(定型)炭黑生產(chǎn)裝置。一部分原料是在燃?xì)饬鬟_(dá)到最大速度之前的某一點噴入的，在這一點之前觀察不到由于在燃燒氣流達(dá)到最大速度的位置之前將物料噴入熱燃燒氣流中所造成炭黑粉碎的DBP的結(jié)構(gòu)進一步增加，而在此處還會使炭黑粒徑分布增寬。其余物料在燃燒氣流達(dá)到了最大速度的位置上噴入。
雖然1984年7月2日申請，系列號為626，704的美國專利申請披露了在燃燒氣流達(dá)到最大速度的位置上和在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前的位置上，將液體物料噴入燃燒氣流可增加炭黑的粉碎DBP結(jié)構(gòu)，但沒有提出隨著原料的噴入點之間距離增加時，通過這種方法生產(chǎn)的炭黑粉碎DBP結(jié)構(gòu)不是無限地增加。


圖1是一種典型的炭黑生產(chǎn)爐的圖解示意軸向剖視圖，它適用于本發(fā)明的所有實例。
圖2是一個表明炭黑粒徑分布的曲線的頻率圖，圖示了一個炭黑樣品的粒徑分布的△D50。
參看圖1，爐<1>為利用本發(fā)明的方法用于制備炭黑的爐子示意圖。爐<1>通常包括4個區(qū)，即混合室<3>、燃燒區(qū)<10>、轉(zhuǎn)變區(qū)<13>和反應(yīng)區(qū)<31>。
混合室<3>由壁<4>、內(nèi)隔板的外側(cè)<9>和進口壁<6>限定。在隔板的進氣端上安裝在隔板<9>內(nèi)側(cè)是火焰穩(wěn)定器<11>。燃燒室<10>由隔板<9>內(nèi)側(cè)、火焰穩(wěn)定器<11>的后側(cè)限定，終止于出口端<12>。穿過壁<6>插入導(dǎo)管<8>，燃料通過導(dǎo)管<8>加入混合室<3>。穿過側(cè)壁<4>插入導(dǎo)管<5>，通過導(dǎo)管<5>將氧化劑加入室<3>。穿過導(dǎo)管<8>插入內(nèi)部探頭<19>，經(jīng)過內(nèi)部探頭<19>，可在熱燃燒氣流達(dá)到最大速度的位置之前將原料噴入爐內(nèi)，在此處不再能觀察到由于在熱燃燒氣流達(dá)到最大速度之前將物料噴入熱燃燒氣流中所造成炭黑的CDBP結(jié)構(gòu)增加。噴射探頭<19>是軸向排列探頭，它可被液體冷卻，并且終止于端帽<27>。端帽<27>有許多小孔<29>沿它的圓周徑向排列。燃燒室<10>的出口端是轉(zhuǎn)變區(qū)<13>，它由壁<17>限定。圍繞壁<17>周圍的是許多完全橫向排列小孔<21>，通過小孔<21>將物料噴入?yún)^(qū)<13>。
轉(zhuǎn)變區(qū)<13>的后方是反應(yīng)區(qū)<31>，它由壁<37>限定。反應(yīng)區(qū)<31>依賴于所需的反應(yīng)條件可具有不同的長度和截面積。在本例中，反應(yīng)區(qū)<31>內(nèi)徑36英寸。驟冷探頭<41>穿過壁<37>插入反應(yīng)區(qū)<31>中。水經(jīng)過驟冷探頭<41>噴入反應(yīng)區(qū)<31>，以終止炭黑生成反應(yīng)。
通常，本發(fā)明用于生產(chǎn)具有較寬粒徑分布炭黑的方法可按如下方法實現(xiàn)。經(jīng)燃料導(dǎo)管將適當(dāng)?shù)娜剂霞尤霠t子的混合室，經(jīng)過氧化劑導(dǎo)管將適當(dāng)?shù)难趸瘎?，例如空氣，氧氣，空氣和氧氣的混合物或其它氧化劑加入混合室。在適用于與氧化氣流在燃燒室中反應(yīng)以產(chǎn)生熱燃燒氣的燃料中包括許多容易燃燒的物質(zhì)，無論氣體的、蒸汽的或液體的形式，例如氫、一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、煤油、液體碳?xì)浠衔锶剂系鹊取?br> 如本文所指出的，初級燃燒率表示在定型工藝的第一階段中的氧化劑的量除以在該工藝中的第一階段使燃料完全燃燒而產(chǎn)生二氧化碳和水在理論上所需氧化劑的量，乘100，給出一個百分率。盡管初級燃燒率的范圍可從100～500%，最好初級的或工藝的第一階段燃燒率可在約120～300%間變化。以這種方式，產(chǎn)生一個以高線速度流動的熱燃燒氣流。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，至少1.0p.s.i(6.9Kpa)，最好約1.5p.s.i(10.3Kpa)～10p.s.i(69Kpa)的燃燒室和反應(yīng)室間的壓差是合乎需要的。在這些條件下，產(chǎn)生一氣體燃燒產(chǎn)物流，該燃燒產(chǎn)物流具有足夠的能量能把生成炭黑的液體碳?xì)浠衔镌限D(zhuǎn)變成為所需的炭黑產(chǎn)物。從燃燒階段排出的產(chǎn)物燃燒氣溫度達(dá)到至少約2400°F(1350℃)，最佳溫度至少約3000°F(1650℃)之上。
熱燃燒氣在出口方向上噴出，從燃燒室的出口端以高的線速度排出，將燃燒氣流通過一個較小直徑的封閉轉(zhuǎn)變區(qū)可加速該燃燒氣，如果需要的話，轉(zhuǎn)變區(qū)可以是錐形的或窄口的。在爐子轉(zhuǎn)變區(qū)的靠近中間位置燃燒氣流達(dá)到最大速度。
根據(jù)本發(fā)明方法，液體原料量的范圍約為所需液體碳?xì)浠衔镌峡偭康?0～80%，最好為約25～75%，加入方式以非預(yù)霧化聚集氣流或預(yù)霧化氣流的形式，最好是非預(yù)霧化聚集氣流形式，基本橫向地，以向外或向內(nèi)的方式，從它的周邊，在燃燒氣流達(dá)到最大速度的位置之前噴入燃燒氣中;在此位置的前方完全觀察不到由于在燃燒氣流達(dá)到最大速度的位置之前將一部分原料噴入熱燃燒氣流中而造成的粉碎DBP結(jié)構(gòu)進一步增加，在此處還得到一種較寬的粒徑分布。當(dāng)熱燃燒氣流達(dá)到最大速度之前將液體原料橫向向外噴入熱燃燒氣流中時，原料最好經(jīng)物料噴射探頭噴入。在燃燒氣流達(dá)到最大速度的位置，液體碳?xì)浠衔镌鲜Ｓ嗔糠秶s為總碳?xì)浠衔镌系?0～80%，最好其范圍約為總物料的25～75%被噴入。在此位置，液體原料以眾多的非預(yù)霧化聚集氣流或預(yù)霧化氣流形式，最好是非預(yù)霧化形式，以相對燃燒氣流流動的徑向或橫向方向，或者是從燃燒氣流的外周邊或者是從內(nèi)周邊噴入熱燃燒氣流。在該方法的一個優(yōu)選具體實例中，原料在燃燒氣流達(dá)到最大流速位置，經(jīng)過許多橫向排列在爐子轉(zhuǎn)變區(qū)壁內(nèi)的小孔，與燃燒氣流動徑向向內(nèi)噴入。本文適用的碳?xì)浠衔镌鲜遣伙柡吞細(xì)浠衔镱?，例如乙炔、烯烴類(例如乙烯、丙烯、丁烯)、芳烴類(例如苯、甲苯、二甲苯)，一些飽和碳?xì)浠衔锖蛽]發(fā)性碳?xì)浠衔?，例如煤油類、萘類、萜烯類、乙烯焦油類、芳環(huán)料等等。根據(jù)在確定的位置進行如上物料噴入的情況，原料可以是相同的或不同的。
本文中所使用的原料、燃料、和/或氧化劑將被調(diào)整以便得到一個總百分燃燒率，范圍約為15～60%，最好為15～40%。總?cè)紵时硎咎己谏a(chǎn)方法中所用氧化劑的總量除以使碳黑生產(chǎn)方法中用的燃料和原料的總量完全燃燒以產(chǎn)生二氧化碳和水所需的氧化劑的量，再乘100，得到一個百分率。
提供足夠停留時間，以允許在驟冷終止反應(yīng)之前，發(fā)生生成炭黑的反應(yīng)。通過將水經(jīng)過驟冷噴嘴噴入的方法來完成典型的驟冷。然而，在炭黑生產(chǎn)技術(shù)中有許多已知的其它驟冷方法。然后，其中含有懸浮炭黑產(chǎn)物的熱煙道氣要經(jīng)過傳統(tǒng)的冷卻、分離、收集炭黑等步驟處理。用任一傳統(tǒng)方法，例如沉降器、旋風(fēng)分離器、袋式過濾器、或者它們結(jié)合使用很容易從氣體中分離炭黑。
已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的方法將原料在兩個部位噴入可生產(chǎn)具有較寬粒徑分布的炭黑。
如下試驗步驟可測定出本發(fā)明生產(chǎn)炭黑的分析性能。
炭黑樣品的碘吸附數(shù)可按ASTMD-1510-81測定。
根據(jù)ASTMD-3265-76a可測定一種炭黑樣品相對于一種工業(yè)著色參考碳黑的著色能力。根據(jù)ASTMD-2414-84測定一種炭黑的DBP吸附數(shù)。報告的結(jié)果表明該炭黑是蓬松的還是顆粒形狀的。
根據(jù)ASTMD-3493-84可測定一種炭黑顆粒CDBP吸附數(shù)。
按如下方式可測定一種炭黑樣品的粒徑分布(△D50)。頻率圖由炭黑樣品的顆粒的stokes直徑與在給定的樣品中它們出現(xiàn)的頻率的關(guān)系曲線作出的。如圖2所示，平行于Y軸方向從頻率曲線的峰(A)畫出線(B)，終止于頻率圖X軸點(C)。求出所得線(B)的中心點(F)，平行X軸，經(jīng)過中心點(F)畫出線(G)。線(G)在D和E兩點與頻率圖的分布曲線相交。炭黑顆粒在D和E兩點的stokes直徑差的絕對值就是△D50值。利用轉(zhuǎn)盤式離心機，例如英國Tyne和Wear的JoyceLoebl有限公司制造的轉(zhuǎn)盤式離心機得出用來作出頻率圖的數(shù)據(jù)。如下程序是1985年2月1日出版的JoyceLoebl轉(zhuǎn)盤式離心機說明書中所描述的程序的修訂，它的內(nèi)容本文中用來作參考，并被用于測定數(shù)據(jù)。
在稱量皿中稱出10mg炭黑樣品。將三滴ShellChemical公司生產(chǎn)和銷售的，注冊商標(biāo)為NONIDETP-40的表面活性劑加到該炭黑中，然后攪拌所得混合物以產(chǎn)生一種均勻的糊。將50cc由20%的無水乙醇溶液和80%的蒸餾水配成的溶液加到該糊中，然后使用一個NewYorkFar-mingdale的HeatSystemsUltrasonics公司制造的型號為W385的發(fā)聲器，利用超聲波能的方法將其分散15分鐘。
在操作之前，如下數(shù)據(jù)輸入計算機，此計算機記錄來自轉(zhuǎn)盤式離心機的數(shù)據(jù)1.炭黑的比重，取作1.86g/cc，2.分散在上述水和無水乙醇溶液中碳黑溶液的體積在本例中是0.5cc，3.旋轉(zhuǎn)流體的體積，在本例中是14cc水，4.旋轉(zhuǎn)流體的粘度，在本例中取作23℃時0.933厘泊，5.旋轉(zhuǎn)流體的密度，在本例中為23℃時0.9975g/cc，6.轉(zhuǎn)盤速度，在本例中是8，000rpm，7.數(shù)據(jù)取樣間隔，在本例中是1秒。
當(dāng)頻閃觀測器操作時，轉(zhuǎn)盤式離心機以每分鐘8，000轉(zhuǎn)操作。14cc蒸餾水作為旋轉(zhuǎn)流體注入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤。濁度值置于0，將1cc由20%的無水乙醇和80%蒸餾水配成的溶液作為緩沖溶液被注入。然后操作轉(zhuǎn)盤式離心機的切斷和加速按鈕，以便在旋轉(zhuǎn)流體和緩沖液體間產(chǎn)生一平滑的濃度梯度，且這種梯度可用肉眼進行監(jiān)測。當(dāng)梯度達(dá)到平滑，以致在兩種液體間無明顯界限時，將0.5cc分散在乙醇水溶液中的炭黑注入旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤，然后立刻開始收集數(shù)據(jù)。如果發(fā)生流動，立刻停止操作。在乙醇水溶液中分散的炭黑注入之后，轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)20分鐘。旋轉(zhuǎn)20分鐘之后，停止轉(zhuǎn)盤，測量旋轉(zhuǎn)流體的溫度，操作開始時測量的旋轉(zhuǎn)流體平均溫度和操作結(jié)束時旋轉(zhuǎn)流體溫度輸入到從轉(zhuǎn)盤離心機記錄數(shù)據(jù)的計算機中。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的stokes方程分析該數(shù)據(jù)，并表示成象圖2中所示的頻率圖。
參考如下實例將會很容易理解生產(chǎn)具有較寬粒徑分布的炭黑的本發(fā)明方法。當(dāng)然，本發(fā)明還有許多其它的具體實例，這些具體實例只要本發(fā)明完全公開，對于那些精通此項技術(shù)的人來說是顯而易見的，因此可以承認(rèn)，給出如下實例的目的僅僅是為了說明，無論如何不能認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。
圖1中描述的爐子是用于如下實例每個爐子的圖示說明。在實例1～3中，使用相同的液體碳?xì)浠衔镒鳛槿剂?。另外，與實例1～3中用作燃料的不同液體碳?xì)浠衔镆部捎米髟稀?br> 實例1使用如圖1中所示的爐子，將預(yù)熱到1238°F(670℃)，以500mscfh(3.933Nm3/sec)速率的空氣和以238gal/hr(900L/h)的液體碳?xì)浠衔锶剂贤ㄈ牖旌鲜?amp;lt;3>。從其中產(chǎn)生一熱燃燒氣流，其初級燃燒率為154%，它以高線速度向出口方向流動。將液體溶液形式的鉀加入燃燒氣中，使得相對于所使用的原料總量加入的鉀為84ppm。
然后，將25%總原料以非預(yù)霧化聚集液流的方式，經(jīng)探頭<19>，在燃燒氣流達(dá)到最大速度的位置之前徑向向外噴入熱燃燒氣流中。探頭<19>外徑為2英寸(5.1cm)，且裝配有1/4英寸美國標(biāo)準(zhǔn)錐管螺紋的端帽<27>，端帽<27>具有6個0.070英寸(1.78mm)直徑的小孔，垂直等角排列在端帽的周邊上。在本實例中，定位探頭<19>，以使端帽<27>位于小孔<21>的前方11.8英寸(30cm)處。
其余75%的原料以非預(yù)霧化聚集流的形式，經(jīng)12個小孔<21>，在燃燒氣已達(dá)到最大流速的位置，即在轉(zhuǎn)變區(qū)<13>的中心位置，徑向向內(nèi)地噴入熱燃燒氣流。轉(zhuǎn)變區(qū)<13>的長度為11英寸(27.9cm)，內(nèi)徑12.4英寸(31.5cm)。小孔<21>的每個直徑為0.078英寸(1.99mm)，等角間隔，在一個平面上橫向排列在轉(zhuǎn)變區(qū)<13>的壁<17>的周邊上。總量物料以1437gal/hr(5439L/h)總速率噴入。
進行該方法的操作，以使總?cè)紵蔬_(dá)20.5%。反應(yīng)室<31>直徑為36英寸(91cm)。驟冷嘴<41>位于離小孔<21>下方約10英尺(2.45m)的位置。炭黑的分析性能記錄在表中。
實例2除了如下的例外，使用實例1中的裝置、原料和方法生產(chǎn)炭黑。在本例中，定位探頭<19>，以使端帽<27>位于轉(zhuǎn)變區(qū)<13>內(nèi)的小孔<21>的前方19.7英寸(50cm)處，且將相對于所用原料總量的123ppm鉀，以水溶液的形式加入熱燃燒氣流中。炭黑的分析性能記錄在表中。
實例3除了如下的例外，使用實例1中的裝置、原料和方法生產(chǎn)炭黑。定位探頭<19>，以使端帽<27>位于小孔<21>的前方23.6英寸(60cm)處，且將相對于所用原料總量的123ppm鉀，以水溶液的形式加入燃燒氣流中。炭黑的分析性能記錄在表中。
表分析性能例1例2例3相對原料量的鉀的加入量(ppm)84123123原料加入點的間距11.8英寸19.7英寸23.6英寸(30cm)(50cm)(60cm)△D50mμ687783著色力%989896碘數(shù)mgI2/g炭黑 60 60 59DBP吸附值顆粒cc/k100g109106107CDBP(24M4)cc/100g908890表中所示數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明方法生產(chǎn)出的炭黑的△D50值增加，而對于結(jié)構(gòu)和表面積基本保持了相同的數(shù)值。另外，從數(shù)據(jù)和實例中人們將能得出這樣結(jié)論，即隨著本發(fā)明原料噴入兩點間的距離增加，炭黑△D50值可進一步增加。
在實例1～3中，為了獲得給定結(jié)構(gòu)的炭黑，加入不同量的鉀。這樣，本發(fā)明的效果通過注意在實例2和3中加入等量的鉀可間接顯示出來，為了獲得給定炭黑結(jié)構(gòu)值，二者的鉀加入量都超過實例1中所要求的量。在實例2和3中所用鉀量比實例1中用鉀量所增加的數(shù)值表明，在實例1的分離距離下，隨著增加原料噴入點間距離，該結(jié)構(gòu)仍然在增加。進一步增加原料噴入點間的距離時，在實例2和3中使用同樣量的鉀表明，在實例2和3中增加原料噴入點間的距離時，在熱燃燒所達(dá)到最大流速之前將部分原料噴入熱燃燒氣中不會引起CDBP的進一步增加。
盡管就一些具體實例來說，已描述了本發(fā)明，然而本發(fā)明并沒有受到限定，應(yīng)該理解，在不違反本發(fā)明精神和范圍的情況下，它可以進行變型和改進，這對于那些精通此項技術(shù)的人是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)爐法炭黑的定型方法，其中燃料和氧化劑反應(yīng)，使得提供一初級熱燃燒氣流，它具有足夠的能量把能產(chǎn)生炭黑的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)變成為炭黑，且其中以眾多的非預(yù)霧化聚集流或預(yù)霧化流的形式，在燃燒氣流已達(dá)到最大速度的位置，以基本與燃燒氣流的流向橫向相交的方向，并且在足夠的為使原料適當(dāng)剪切混合所需一定程度的擴散的壓力下，將液體碳?xì)浠衔镌蠌膱A周方向噴入氣體燃燒產(chǎn)物流中，且其中通過驟冷停止炭黑生成反應(yīng)之前，原料分解轉(zhuǎn)變成炭黑，然后通過冷卻、分離和回收所得炭黑；其改進之處在于，在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前的位置將碳?xì)浠衔镌峡偭恐械淖銐虿糠旨尤肴紵龤饬髦?，固而生產(chǎn)出較寬粒徑分布的炭黑，在此位置之前完全觀察不到由于將原料在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前位置加入熱燃燒氣流中所造成炭黑的CDBP結(jié)構(gòu)增加。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其中液體原料總量的約20～80%，在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前的位置被加入到燃燒氣流中，在此處之前完全觀察不到由于將原料在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前位置加入熱燃燒氣流中所造成炭黑的CDBP結(jié)構(gòu)增加，其余原料在燃燒氣流達(dá)到了最大速度的位置加入。
3.如權(quán)利要求1所述方法，其中液體原料總量的約25～75%，在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前的位置被加入到燃燒氣流中，在此處之前完全觀察不到由于將原料在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前位置加入熱燃燒氣流中所造成炭黑的CDBP結(jié)構(gòu)增加，其余原料在燃燒氣流達(dá)到了最大速度的位置加入。
4.如權(quán)利要求1所述方法，其中在燃燒氣流達(dá)到最大速度的位置加入熱燃燒氣流中的液體碳?xì)浠衔锸欠穷A(yù)霧化聚集氣流的形式。
5.如權(quán)利要求1所述方法，其中在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前的位置加入到燃燒氣流中的液體碳?xì)浠衔镌鲜窃诨敬怪庇跓崛紵龤饬髁鲃拥姆较?，以非預(yù)霧化聚集氣流的形式加入的，且在加入處的前方完全觀察不到由于將原料在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前位置加入熱燃燒氣流中所造成的炭黑的CDBP結(jié)構(gòu)增加。
6.如權(quán)利要求5所述方法，其中在燃燒氣達(dá)到最大速度之前的位置加入熱燃燒氣流中的液體碳?xì)浠衔锸菑臒崛紵龤饬鞯膬?nèi)里向外噴入的，在此位置之前，完全觀察不到由于將原料在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前位置加入熱燃燒氣流中所造成的炭黑CDBP結(jié)構(gòu)增加。
7.如權(quán)利要求1所述方法，其中液體碳?xì)浠衔镌鲜且苑穷A(yù)霧化聚集氣流的形式，在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前的位置，以基本垂直的方向，從燃燒氣流的內(nèi)圓周向外加入燃燒氣流中，且在此位置之前完全觀察不到由于在燃燒氣流達(dá)到最大速度之前位置將原料加入燃燒氣流中所造成炭黑的CDBP進一步增加的，液體碳?xì)浠衔镌线€以非預(yù)霧化聚集氣流的形式，以基本垂直的方向，從熱燃燒氣流的外圓周向內(nèi)在燃燒氣流達(dá)到了最大速度的位置加入燃燒氣流中。
全文摘要
本文所公開的是生產(chǎn)具有較寬粒徑分布炭黑的方法。
文檔編號C09C1/50GK1035671SQ8810847
公開日1989年9月20日 申請日期1988年12月10日 優(yōu)先權(quán)日1987年12月10日
發(fā)明者李波 申請人:卡伯特公司