控制炭黑孔隙率的方法技術

本發明專利技術涉及一種具有130m

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】控制炭黑孔隙率的方法
本專利技術涉及控制炭黑的孔隙率的方法、由其制備的炭黑以及用于實施本專利技術方法的設備。
技術介紹
根據炭黑領域技術人員的一般知識，如在Jean-BaptisteDonnet等人編輯的“CarbonBlack(炭黑)”(第二版，MarcelDekker,Inc.,NewYork(1993))的第35-39頁所舉例說明的，在用于制造炭黑的爐法(furnaceprocess)中，炭黑的孔隙率可以通過爐反應器的淬火位置控制。新形成的炭黑越早淬火，其孔隙率越低。BET表面積與STSA表面積的比例可用作孔隙率的量度。在炭黑具有細粒徑的情況下，對于非常短距離淬火(veryshortquenched)的炭黑(無孔隙率)，該比例等于或略小于1，而對于在較長淬火距離內產生的炭黑，該比例大于1。非常細的顆粒炭黑總是表現出一定量的孔隙率，因為只能沿著反應器在固定位置進行淬火。可能并非總可獲得最佳位置。因此，反應可能不會在炭黑形成正好剛剛完成的時刻終止。此外，不同的停留時間不僅影響孔隙率，而且影響炭黑的表面化學性質。非常短距離淬火的炭黑的表面富含來自CH基團或類似于烯屬雙鍵的那些基團的氫。這些表面化學性質可能不是所有常常使用炭黑的應用所期望的。在輪胎應用中，具有高表面積和低孔隙率的炭黑可以改善輪胎的耐磨性。另一方面，如果如上所述以短的淬火距離制備爐法炭黑以獲得高表面積和低孔隙率，則所得的表面化學性質特別是烯烴表面基團會導致非常短的硫化時間，這削弱了橡膠材料的可加工性。因此，仍然需要一種用于生產炭黑的方法，其中可以在爐法中不依賴于淬火位置控制炭黑的孔隙率，特別是降低炭黑的孔隙率，以避免上述短距離淬火(shortquenched)炭黑的缺點。還特別需要在輪胎應用中顯示橡膠膠料的耐磨性和可加工性之間的平衡得到改進的炭黑。根據本專利技術，通過調節形成燃燒氣流時可燃材料與O2的化學計量比以獲得小于1.2的k因子與增加反應器中的惰性氣體的濃度并同時限制進料到反應器的CO2量相結合，可以在爐法中容易地控制，特別是降低炭黑的孔隙率。在現有技術中，提出了使用近似化學計量燃燒的炭黑生產方法。美國專利第3,475,125號描述了一種炭黑生產方法，其中在反應區中，通過在燃燒區中燃燒烴類燃料和氧化劑的第一可燃混合物獲得至少一股熱燃燒氣體流，所述混合物基本上含有燃燒所述燃料所需的化學計算量的氧化劑。該第一可燃混合物在存在蒸汽的情況下燃燒，蒸汽的量足以保護所述燃燒區的耐火內襯免受過高溫度的破壞。任選地，將通過燃燒烴類燃料和氧化劑的第二可燃混合物而獲得的至少一股其它熱燃燒氣體流施加到反應區，所述第二可燃混合物含有的氧化劑的量大于燃燒所述燃料所需的化學計算量。據記載，該方法導致炭黑的產率增加，同時保護爐的耐火材料免受過高溫度的破壞。美國專利第4,294,814號公開了一種通過沿軸向引入第一烴類進料流，沿周向或切向引入第二熱燃燒氣體流至反應器中以便在第一烴類進料流周圍形成熱燃燒氣體的渦流，并將第三氣體流徑向引入反應器中來生產具有高結構的炭黑的方法。根據優選實施方案，包含燃燒氣體的第二料流和第三料流之一在低于可燃材料和氧的化學計量比(under-soichiometricratio)的情況下產生，而另一燃燒氣流則在高于可燃材料與氧的化學計量比(over-soichiometricratio)的情況下產生，使得當兩種燃燒氣流合并時，整體化學計量條件(overallstoichiometriccondition)在反應器中心在非常高的溫度下實現，其中所述第一烴類進料流在不接觸反應器壁的情況下進料。根據該現有技術文獻的教導，由此可以獲得具有非常高結構的炭黑。EP-A982378涉及一種用于生產炭黑的爐法，其中形成高溫燃燒氣體流，并且在原料引入處燃燒氣體的氧濃度至多為3體積％(vol.-％)。據記載，使氧濃度盡可能小的優點是炭黑的聚集體尺寸小并且抑制具有大粒徑的聚集體。此外，通過該方法獲得具有窄粒徑分布的炭黑。US2002/0090325通過在盡可能高的溫度和接近1的空氣比下進行燃料的完全燃燒而解決了生產具有較小粒徑和較窄的聚集體粒徑分布的炭黑的問題，同時抑制對燃燒區段中的反應器壁耐火材料造成的損壞。此外，在該參考文獻的現有技術部分中，討論了與碳黑生產無關的日本專利申請第10-38215號。在該日本參考文獻中，公開了一種燃燒器燃燒方法，其中通過使用稀釋空氣，例如通過循環使用廢氣或用惰性氣體如氮氣稀釋空氣，至少在燃燒反應即刻前的氧濃度遠低于普通空氣。在US2002/0090325中，該概念被認為不適合用于炭黑生產，因為如果將這種方法應用于炭黑生產爐，則可能難以生產具有穩定質量的炭黑。此外，稀釋氧氣濃度需要額外的設備成本。因此，US2002/0090325提出了一種爐結構，其中獨立地配置一個或多個空氣進料口和一個或多個燃料進料口，在第一反應區中彼此間隔開，使得燃燒空氣和燃料將單獨注入爐子中并在爐子中燃燒。由此，獲得小粒徑和窄的聚集體尺寸分布的炭黑，并且最小化對燃燒段中反應器壁耐火材料造成的損壞。美國專利第7,655,209號涉及用于生產炭黑的所謂的“富含深層燃料(deepfuelrich)”方法，其中使用反應器廢氣，優選不使用天然氣或有氧化劑氣體流的其它輔助可燃氣體進料流，，其提供小于化學計量的80％的氧氣量，以產生燃燒氣體。優選地，預先加熱廢氣，脫去其中的水，并且如果需要，除去二氧化碳。反應器廢氣中的氫氣和一氧化碳的含量由此用作可燃材料。該方法的優點在于，由于更完全地利用所使用的原料，改進了整個方法的經濟性，從而顯著降低了原料成本。盡管美國專利第7,665,209號中教導了可選地從廢氣中除去二氧化碳，但是利用氫氣和一氧化碳作為主要或唯一可燃材料將導致所產生的燃燒氣體中二氧化碳濃度的增加。美國專利第3,438,732號公開了一種生產炭黑的方法，其中處理來自生產過程的尾氣以除去氫氣、一氧化碳和水，隨后優選作為用于炭黑原料的霧化氣體再循環至該過程。其中，由尾氣產生的惰性氣體基本上由氮氣和二氧化碳組成。由此，可以提高相對于炭黑原料的炭黑收率。上述討論的現有技術文獻都沒有解決控制孔隙率，特別是降低生成的炭黑的孔隙率的問題。被公開的受一些上述討論的現有技術參考文獻中的工藝方案影響的唯一產品參數是燃燒化學計量對所得炭黑的粒徑和粒徑分布的影響。因此，本專利技術的目的是提供一種炭黑生產方法，該方法適于控制所得炭黑的孔隙率，特別是降低炭黑的孔隙率。本專利技術的另一個目的是由此同時減少炭黑生產工藝的環境影響。如果可以降低反應器廢氣中對環境有害的氣體如NOx、SOx或CO2的濃度是特別有益的。
技術實現思路
這些目的已通過用于生產炭黑的爐法來實現，所述爐法包括：-將含O2氣流、包含可燃材料的燃料流和任選的一種或多種其他氣流進料到爐反應器；-使可燃材料在燃燒步驟中進行燃燒以提供熱煙道氣(fuelgas)流，其中將含O2氣流、包含可燃材料的燃料流和任選的一種或多種其他氣流以提供小于1.2的k因子的量進料到燃燒步驟，其中k因子定義為理論上在燃燒步驟中所有可燃物質按化學計量燃燒所需的O2與進料至燃燒步驟的總O2的比例；-在反應步驟中使炭黑原料與熱煙道氣流接觸以形成炭黑；-在終止步驟中終止炭黑形本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有130m

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.08.29 EP 14182786.51.一種具有130m2/g至350m2/g的STSA表面積的爐法炭黑，其中-如果STSA表面積在130m2/g至150m2/g的范圍內，則BET表面積與STSA表面積的比例小于1.1，-如果STSA表面積大于150m2/g至180m2/g，則BET表面積與STSA表面積的比例小于1.2，-如果STSA表面積大于180m2/g，則BET表面積與STSA表面積的比例小于1.3；并且所述STSA表面積和所述BET表面積根據ASTMD6556測得。2.根據權利要求1所述的爐法炭黑，其具有140m2/g至300m2/g，優選150m2/g至280m2/g，更優選160m2/g至250m2/g的STSA表面積。3.根據前述權利要求中任一項所述的爐法炭黑，其中-如果STSA表面積在130m2/g至150m2/g的范圍內，則BET表面積與STSA表面積的比例小于1.09，-如果STSA表面積大于150m2/g至180m2/g，則BET表面積與STSA表面積的比例小于1.15，-如果STSA表面積大于180m2/g，則BET表面積與STSA表面積的比例小于1.25。4.根據前述權利要求中任一項所述的爐法炭黑，其具有140m2/g至350m2/g的STSA表面積，-如果STSA表面積在140m2/g至150m2/g的范圍內，則BET表面積與STSA表面積的比例小于1.1，優選小于1.09，-如果STSA表面積大于150m2/g至180m2/g，則BET表面積與STSA表面積的比例小于1.2，優選小于1.15，-如果STSA表面積大于180m2/g，則BET表面積與STSA表面積的比例小于1.3，優選小于1.25。5.根據前述權利要求中任一項所述的爐法炭黑，其具有根據ASTMD2414測量的20-200ml/100g，優選30-170ml/100g，更優選100-170ml/100g的OAN值。6.一種用于生產炭黑的爐法，其包括：-將含O2氣流、包含可燃材料的燃料流和任選的一種或多種其他氣流進料到爐反應器；-使所述可燃材料在燃燒步驟中進行燃燒以提供熱煙道氣流，其中將所述含O2氣流、所述包含可燃材料的燃料流和任選的至少一種其他氣流以提供小于1.2的k因子的量進料到所述燃燒步驟，其中所述k因子定義為理論上在所述燃燒步驟中所有可燃材料按化學計量燃燒所需的O2與進料至所述燃燒步驟的總O2的比例；-在反應步驟中使炭黑原料與所述熱煙道氣流接觸以形成炭黑；-在終止步驟中終止炭黑形成反應；其中基于進料到所述燃燒步驟的可燃組分除外的氣相組分總體積，進料到所述燃燒步驟的組合流包含小于20.5體積％的O2和小于3.5體積％的二氧化碳；和/或將惰性氣體流進料至所述反應步驟和所述終止步驟中的至少一個，所述惰性氣體流包含的選自含氧化合物的組分的總量為至多16體積％。7.根據權利要求6所述的爐法，其中k因子為0.15至1.2，優選為0.3至1.15，更優選為0.75至1.15，更加優選為0.85至1.1，最優選為0.95至1.05。8.根據權利要求6或7所述的爐法，其中基于進料到所述燃燒步驟的可燃組分除外的氣相組分的總體積，進料到所述燃燒步驟的組合流包含1.0體積％至20.0體積％，優選2.5體積％至19.5體積％，更優選5.0體積％至19.0體積％的O2，和/或小于2.0體積％，優選小于1.0體積％，更優選小于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：科妮·福格勒，埃迪·蒂莫曼斯，阿恩特彼得·申克爾，
申請(專利權)人：歐勵隆工程炭公司，
類型：發明
國別省市：德國,DE