使用增量剂流体的炭黑生产方法
【专利说明】使用増量剂流体的炭黑生产方法
【背景技术】
[0001] 本发明涉及炭黑以及炭黑制造方法。进一步地，本发明涉及控制炭黑的一种或多 种颗粒性质。
[0002] 在炭黑制造中，当将生产线转换以制造不同等级的炭黑或转换以适应不同类型的 原料时，典型地要求对于炭黑工艺控制和/或装置构造的改变，而且，这些改变妨碍生产线 的连续和/或有效的操作。当出于生产的原因而期望炭黑颗粒性质（例如，结构或表面积） 发生改变时，可采用对于改变颗粒性质有效的操作性调整。这些调整导致炭黑反应器的工 艺中断（这可甚至包括停止运转），而且，放置用于引入原料以形成炭黑的喷射喷嘴来改变 射流或流体动力学，这能够调节色调或其它性质。毋庸置疑，关闭反应器和更换喷嘴可为耗 时且代价高的。
[0003] 此外，在炭黑的生产中，某些原料可比其它原料更为有问题，例如煤焦油原料的使 用以及所导致的喷嘴顶端磨损速率。这对于被认为是具有较大量的小颗粒物（例如灰分） 的原料的其它原料也可成立，其对于炭黑制造可为有问题的和/或由于担心堵塞，采用小 的原料引入点顶端尺寸可为有问题的。实际上，可由颗粒物导致顶端堵塞，仅举几个例子， 所述颗粒物能够来自原料、结焦、钾、水。为了本发明的目的，术语"喷射喷嘴"或"喷嘴"或 "顶端"是指相同的组件。
[0004] 而且，期望对如国际公布申请号W02011/103015中所描述的使用预热原料的炭黑 生产方法进行改善。在该现有方法中，使用预热原料以获得在炭黑和经济规模方面上的有 益性质。对该方法进行改善以实现甚至更高的效率是有益的。
[0005] 因此，提供能够实现一种或多种前述目标的炭黑生产方法是有益的。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明的一个特征是提供，在不导致炭黑反应器的停止运转或任何工艺中 断的情况下，控制炭黑的至少一种颗粒性质的方法。
[0007] 本发明的另一个特征是提供，在无需更换原料引入点处的喷嘴的情况下，控制炭 黑的至少一种颗粒性质的方法。
[0008] 本发明的进一步特征是提供，甚至进一步地提高炭黑生产中的原料预热温度并控 制原料管线在提高的原料温度下的由热导致的结垢的能力。
[0009] 本发明的另外的特征是提供，使用具有大量颗粒物（例如灰分）的原料来生产炭 黑的方法。
[0010] 本发明的另外的特征和优点将在以下说明书中部分阐明，且部分地将由本说明书 显见，或者可以通过本发明的实践而获得教导。通过在本说明书和所附权利要求书中特别 指出的要素以及组合，本发明的目的和其它优点将得以认识和实现。
[0011] 为了实现这些以及其它优点，且根据本发明的目的，如在本文中具体示例且宽泛 描述的，本发明部分地涉及炭黑生产方法。所述方法包括向炭黑反应器中引入经加热的气 流。所述方法进一步包括使至少一种增量剂流体与至少一种炭黑原料组合以形成流体-原 料混合物。优选所述组合以使得所述至少一种增量剂流体提高了所述至少一种炭黑原料在 与通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入点成基本轴向（在轴向的10°以内）或轴向的 方向上的动量。将所述流体-原料混合物供给至通向所述炭黑反应器的至少一个原料引入 点（优选若干个）。所述方法进一步包括至少使所述流体-原料混合物通过通向炭黑反应 器的一个或多个引入点与所述经加热的气流组合，从而在炭黑反应器中形成其中形成有炭 黑的反应物流。所述方法可进一步包括收取所述反应物流中的所述炭黑。在该方法中，所 述增量剂流体可为化学惰性的且优选是对所述炭黑原料化学惰性的。
[0012] 代替使至少一种增量剂流体与至少一种炭黑原料组合以形成流体-原料混合物 或者除此之外，所述流体-原料混合物可在反应器中生成。换句话说，可向反应器中引入至 少一种增量剂流体并且可向反应器中引入至少一种原料，所述引入为这样的方式，其排列 各自的引入点以使增量剂流体提高原料进入燃烧物流的动量。
[0013] 本发明进一步包括用于控制炭黑的至少一种颗粒性质（例如结构和/或表面积） 的方法。所述方法包括使至少一种增量剂流体与至少一种炭黑原料组合以形成流体-原料 混合物并且将所述流体-原料混合物供给至炭黑反应器中。所述流体-原料混合物的供给 是一个或多个射流的形式。所述方法进一步包括控制所述流体-原料混合物中所存在的增 量剂流体的量以控制至少一种颗粒性质（例如色调）。其它颗粒性质可为表面积（例如，其 通过BET、CTAB和/或STSA(ASTM D6556)测量）或者结构（例如0AN或DBP)。
[0014] 在本发明的方法中，所述炭黑原料可为或者包括具有基于原料重量的0.01重 量％至0. 5重量％的高颗粒物（例如灰分）的原料，因为本发明的方法提供了使用这些类 型的原料进行工作且无早先所述的副作用的能力。
[0015] 应当理解，前面的总体描述和下面的详细描述均仅是示例性和说明性的且旨在提 供对所要求保护的本发明的进一步解释。
[0016] 结合到本申请中且构成本申请一部分的【附图说明】了本发明的各方面，而且，所述 附图与本说明书一起用于解释本发明的原理。附图中所使用的相似的数字标号代表相似的 特征。
【附图说明】
[0017] 图1-5是可以用在本发明方法中以生产炭黑的各种类型的炉法炭黑反应器的一 部分的示意图。该炭黑反应器仅仅是可用于本发明的反应器的举例说明。
[0018] 图6是注射器的一个实例的示意图，其描绘了在进入炭黑反应器和主火焰之前， 向雾化原料中注入增量剂流体。
[0019] 图7和8是这样的图，其描绘了对于在进入到反应器之前无预先混合的情况下引 入增量剂流体和原料的可选项一一具有环形物的设计以及并排的设计。
【具体实施方式】
[0020] 本发明涉及炭黑生产方法。本发明还涉及控制炭黑的至少一种颗粒性质的方法。 而且，本发明涉及在不堵塞任何通向反应器的引入点的情况下使用具有大量颗粒物的原料 的能力。而且，本发明涉及甚至进一步地提高炭黑生产中的原料预热温度并控制原料管线 在提高的原料温度下的由热导致的结垢的方法。
[0021] 在炭黑的制造中，燃烧燃料以产生热气流，所述热气流以高速流动通过过渡区，在 所述过渡区中，引入炭黑原料并使其与热气流混合。所述混合物继续以高速进入热的反应 器中，在所述反应器中，所述原料经受热解以得到炭黑颗粒，然后，骤冷所述反应、冷却反应 物、并且在过滤器上收集炭黑产物。
[0022] 通常地，本发明的一个方面涉及通过在经由一个或多个引入点向反应器中引入原 料之前（或者在引入原料之后）使至少一种增量剂流体与至少一种炭黑原料组合来生产炭 黑。在使用增量剂流体（将在下文中对其进一步详细描述）的情况下，所述至少一种增量 剂流体具有提供各种优点的能力，所述能力包括以下的一种或多种：使用不同种类的炭黑 原料（包括那些被认为是具有大量颗粒物（例如灰分）的原料，例如煤焦油原料）进行工 作以用于炭黑生产的能力；将炭黑产生原料预先加热至甚至比先前描述的更高的能力；控 制炭黑的一种或多种颗粒性质的能力；采用较低的压力以用于原料引入的能力；和/或其 它益处。
[0023] 所述增量剂流体可为气体或液体。优选的实例为气体。所述增量剂流体可为对于 炭黑原料化学惰性的且优选是对于炭黑原料化学惰性的。所述增量剂流体可为至少一种惰 性气体（例如，氩气、氖气、氦气及类似物）。所述增量剂流体可为单独的氮气或者具有其它 气体的氮气。所述增量剂流体可为蒸汽、水、空气、二氧化碳、一氧化碳、氢气、炭黑尾气、天 然气、或氮气、一种或多种惰性气体、或者它们的任意组合。通常地，所述气体或液体具有这 样的纯度，其为所述气体或液体的至少95重量％ (例如，至少97重量％、至少98重量％、 至少99重量％、至少99. 5重量％、或至少99. 9重量％ )。例如，当使用氮气（单独地或具 有其它气体/液体）时，氮气具有这样的纯度，其为该气体的至少95重量％。
[0024] 当与至少一种炭黑原料组合以形成流体-原料混合物时，所述增量剂流体可任选 地均匀分布在炭黑原料中。所述至少一种增量剂流体与至少炭黑原料的组合导致这样的流 体-原料混合物，在该流体-原料混合物中，增量剂流体（均匀或非均匀地）分布在炭黑原 料中。
[0025] 在使增量剂流体与炭黑原料组合之前，可使炭黑原料雾化或至少部分地雾化。在 本发明中，任选地，不将增量剂流体用作用于使炭黑原料雾化的手段。优选地，增量剂流体 在与炭黑原料组合时向炭黑原料提供动量。术语"动量"是指流体力学中所理解的动量。 作为选择，当与炭黑原料组合时，增量剂流体提供动量，以便在流体_原料混合物离开喷嘴 并进入炭黑反应器时形成该混合物的柱状射流。所述增量剂流体具有引导（channel)原料 动量的能力。将所述流体_原料混合物引导至注射器中，以使得在进入反应器时，所述流 体-原料混合物的向前的动量在与注射器的中心轴成轴向（或者与注射器的中心轴成基本 轴向，例如，在与所述中心轴成轴向的10°以内）的方向上继续。进一步投射所述流体-原 料混合物，以使得其优选垂直（或基本垂直，其在10°以内）于主火焰或燃烧物流，和/或 优选垂直（或基本垂直，其在10°以内）于炭黑反应器的壁。作为选择，所述流体-原料混 合物或者用于注入流体-原料混合物的注射器可处于相对于主火焰或燃烧物流的任意角 度（例如，垂直（90° )、基本垂直（80-110° )、或者其它角度（例如20-79°、20°、30°、 40°、45°、50°、55°、60°、65°、75°等））。增量剂流体与炭黑原料的组合的实例示于 图6中。在图6中，炭黑原料100进入孔口 102并且作为经雾化的炭黑原料104离开所述 孔口。通过开口 108引入增量剂流体106,并使其与所述经雾化的炭黑原料104组合以形成 流体-原料混合物110。所述混合物110具有与在引入增量剂流体之前所存在的动量相比 提高了的动量。该混合物110通过反应器壁117中的喷嘴或开口 112作为流体-原料混合 物的具有高动量的柱状射流（114)离开注射器，然后，所述柱状射流透入到高速燃烧物流 或主火焰116中。因此，优选地，在本发明中，组合至少一种增量剂流体与至少一种炭黑原 料以形成流体-原料混合物，以使得所述至少一种增量剂流体提高了所述至少一种炭黑原 料在与通向炭黑反应器的至少一个原料引入点成轴向或基本轴向的方向上的动量。
[0026] 与炭黑原料组合的至少一种增量剂流体的量是可调节的。在所述方法在线生产 炭黑的同时，能够调节与炭黑原料组合的增量剂流体的量。换句话说，能够"当场（on the fly) "改变增量剂流体的量。因此，由于增量剂流体的量能够以可调节的方式与炭黑原料组 合，因此，这可在不关闭反应器的情况下进行。因此，即使在以下情况下也能够保持连续的 炭黑生产：调节反应器条件以获得不同等级的炭黑；或者调节反应器条件以使正在制造的 炭黑等级最优化；或者调节/改变正在制造的炭黑的品质；和/或在炭黑制造期间对工艺/ 反应器进行其它调节。
[0027] 通常地，可将增量剂流体以任何压力引入到炭黑原料中，但通常地，优选高的压力 以实现增量剂流体与炭黑原料的期望的混合，特别是当增量剂流体为气体时。合适的压力 可为约1镑/英寸 2至约350镑/英寸2、或者约50镑/英寸2至约175镑/英寸2、或者约 20镑/英寸 2至约200镑/英寸2或更高、或者约100镑/英寸2至约200镑/英寸 2或更 尚。
[0028] 可采用这些压力和其它压力，以向炭黑原料中引入增量剂流体。所述压力可足以 透入炭黑原料以形成流体-原料混合物，且优选地，在所述流体_原料混合物中，增量剂流 体均匀分布在整个炭黑原料中。
[0029] 所述流体-原料混合物中可存在任意量的增量剂流体。例如，增量剂流体能够以 基于炭黑原料的重量的约〇. 1重量％至约400重量％ (或更高）的量存在于所述流体-原 料混合物中。其它量包括，例如，基于炭黑原料的重量的约〇. 1重量％至约100重量％或更 多、或者基于炭黑原料的重量的约5重量％至约15重量％、或者基于炭黑原料的重量的约 0. 1重量％至约50重量％、或者基于炭黑原料的重量的约1重量％至约40重量％。
[0030] 所述流体-原料混合物的供给可以是一个或多个射流的形式。增量剂流体的类型 和/或增量剂流体的量能够调节流体-原料混合物在经加热的气流中的射流透入度。如前 所述，在使用以一个或多个射流的形式输送的流体-原料混合物的情况下，增量剂流体的 量和/或增量剂流体的类型能够调节流体-原料混合物在经加热的气流中的射流透入度且 无任何喷嘴更换和/或无需具有工艺中断或关闭炭黑反应器。
[0031] 作为选择，能够在流体-原料混合物进入炭黑反应器的引入点之前的位置处，使 增量剂流体与炭黑原料组合。能够以这样的方式引入所述流体，所述方式使得所述流体和 原料在离开注射器/喷嘴之前混合在一起。能够在位于反应器处的引入点之前大于或小于 〇.5英寸（例如至少0. 75英寸、至少1英寸、至少2英寸、至少4英寸、或至少6英寸）的位 置处，使增量剂流体与炭黑原料组合。
[0032] 作为选择，能够在增量剂流体和炭黑原料分别引入到炭黑反应器中之后，使增量 剂流体与炭黑原料组合。换句话说，能够使增量剂流体相对于炭黑原料单独引入到炭黑反 应器中。可采用用以实现向反应器中单独引入增量剂流体和炭黑原料以使得这两种流体在 反应器中彼此接触或彼此相邻的任何几何形状。例如，如图7和8中所示的，可使用具有使 得一种流体围绕另一种流体的环形物空心设计的管道来进行增量剂流体和炭黑原料的单 独引入。可采用的另一种几何形状是具有并排的用于增量剂流体和炭黑原料的引入点。在 该设计中，一个引入点能够以微小的方式位于另一个的前面，例如以1/2英寸或1英寸或更 大。当向反应器中单独引入增量剂流体和炭黑原料时，该几何形状使得增量剂流体接触炭 黑原料流体，且增量剂流体提高了进入燃烧物流（或横向流动的物流）的原料流体的动量。 对于能够用以实现增量剂流体和炭黑原料的该双分离引入的几何形状没有限制。此外，可 使用一个或多个引入点，例如围绕所述反应器的圆周，例如在喉管部分处。
[0033] 对于每个炭黑原料引入点，可存在在向炭黑反应器中引入炭黑原料之前使增量剂 流体与炭黑原料预先组合和/或对于所存在的每个炭黑原料引入点的相应的用于增量剂 流体的引入点。
[0034] 能够以一个或多个喷口或喷射喷嘴的形式、或者与一个或多个喷枪组合、或者替 代地使用一个或多个喷枪来进行其中（例如在所述方法的转变（过渡）点处）向炭黑反应 器中引入流体-原料混合物的方式。当使用喷射喷嘴时，这些典型地位于围绕反应器圆周 的径向位置处，例如如图1中所示的。当使用喷枪时，其典型地更靠近（more in)反应器位 置的轴向中心。
[0035] 在本发明中，对于任何方法，所述炭黑产生原料可为或包括任何比重为约0. 9至 约1. 5或更高（例如0. 9至1. 3、或者1至1. 2等）的液态烃或其任意组合。所述炭黑产生 原料可具有