控制炭黑孔隙率的方法技术

本发明专利技术涉及一种具有130m

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】控制炭黑孔隙率的方法
本专利技术涉及控制炭黑的孔隙率的方法、由其制备的炭黑以及用于实施本专利技术方法的设备。
技术介绍
根据炭黑领域技术人员的一般知识，如在Jean-BaptisteDonnet等人编辑的“CarbonBlack(炭黑)”(第二版，MarcelDekker,Inc.,NewYork(1993))的第35-39页所举例说明的，在用于制造炭黑的炉法(furnaceprocess)中，炭黑的孔隙率可以通过炉反应器的淬火位置控制。新形成的炭黑越早淬火，其孔隙率越低。BET表面积与STSA表面积的比例可用作孔隙率的量度。在炭黑具有细粒径的情况下，对于非常短距离淬火(veryshortquenched)的炭黑(无孔隙率)，该比例等于或略小于1，而对于在较长淬火距离内产生的炭黑，该比例大于1。非常细的颗粒炭黑总是表现出一定量的孔隙率，因为只能沿着反应器在固定位置进行淬火。可能并非总可获得最佳位置。因此，反应可能不会在炭黑形成正好刚刚完成的时刻终止。此外，不同的停留时间不仅影响孔隙率，而且影响炭黑的表面化学性质。非常短距离淬火的炭黑的表面富含来自CH基团或类似于烯属双键的那些基团的氢。这些表面化学性质可能不是所有常常使用炭黑的应用所期望的。在轮胎应用中，具有高表面积和低孔隙率的炭黑可以改善轮胎的耐磨性。另一方面，如果如上所述以短的淬火距离制备炉法炭黑以获得高表面积和低孔隙率，则所得的表面化学性质特别是烯烃表面基团会导致非常短的硫化时间，这削弱了橡胶材料的可加工性。因此，仍然需要一种用于生产炭黑的方法，其中可以在炉法中不依赖于淬火位置控制炭黑的孔隙率，特别是降低炭黑的孔隙率，以避免上述短距离淬火(shortquenched)炭黑的缺点。还特别需要在轮胎应用中显示橡胶胶料的耐磨性和可加工性之间的平衡得到改进的炭黑。根据本专利技术，通过调节形成燃烧气流时可燃材料与O2的化学计量比以获得小于1.2的k因子与增加反应器中的惰性气体的浓度并同时限制进料到反应器的CO2量相结合，可以在炉法中容易地控制，特别是降低炭黑的孔隙率。在现有技术中，提出了使用近似化学计量燃烧的炭黑生产方法。美国专利第3,475,125号描述了一种炭黑生产方法，其中在反应区中，通过在燃烧区中燃烧烃类燃料和氧化剂的第一可燃混合物获得至少一股热燃烧气体流，所述混合物基本上含有燃烧所述燃料所需的化学计算量的氧化剂。该第一可燃混合物在存在蒸汽的情况下燃烧，蒸汽的量足以保护所述燃烧区的耐火内衬免受过高温度的破坏。任选地，将通过燃烧烃类燃料和氧化剂的第二可燃混合物而获得的至少一股其它热燃烧气体流施加到反应区，所述第二可燃混合物含有的氧化剂的量大于燃烧所述燃料所需的化学计算量。据记载，该方法导致炭黑的产率增加，同时保护炉的耐火材料免受过高温度的破坏。美国专利第4,294,814号公开了一种通过沿轴向引入第一烃类进料流，沿周向或切向引入第二热燃烧气体流至反应器中以便在第一烃类进料流周围形成热燃烧气体的涡流，并将第三气体流径向引入反应器中来生产具有高结构的炭黑的方法。根据优选实施方案，包含燃烧气体的第二料流和第三料流之一在低于可燃材料和氧的化学计量比(under-soichiometricratio)的情况下产生，而另一燃烧气流则在高于可燃材料与氧的化学计量比(over-soichiometricratio)的情况下产生，使得当两种燃烧气流合并时，整体化学计量条件(overallstoichiometriccondition)在反应器中心在非常高的温度下实现，其中所述第一烃类进料流在不接触反应器壁的情况下进料。根据该现有技术文献的教导，由此可以获得具有非常高结构的炭黑。EP-A982378涉及一种用于生产炭黑的炉法，其中形成高温燃烧气体流，并且在原料引入处燃烧气体的氧浓度至多为3体积％(vol.-％)。据记载，使氧浓度尽可能小的优点是炭黑的聚集体尺寸小并且抑制具有大粒径的聚集体。此外，通过该方法获得具有窄粒径分布的炭黑。US2002/0090325通过在尽可能高的温度和接近1的空气比下进行燃料的完全燃烧而解决了生产具有较小粒径和较窄的聚集体粒径分布的炭黑的问题，同时抑制对燃烧区段中的反应器壁耐火材料造成的损坏。此外，在该参考文献的现有技术部分中，讨论了与碳黑生产无关的日本专利申请第10-38215号。在该日本参考文献中，公开了一种燃烧器燃烧方法，其中通过使用稀释空气，例如通过循环使用废气或用惰性气体如氮气稀释空气，至少在燃烧反应即刻前的氧浓度远低于普通空气。在US2002/0090325中，该概念被认为不适合用于炭黑生产，因为如果将这种方法应用于炭黑生产炉，则可能难以生产具有稳定质量的炭黑。此外，稀释氧气浓度需要额外的设备成本。因此，US2002/0090325提出了一种炉结构，其中独立地配置一个或多个空气进料口和一个或多个燃料进料口，在第一反应区中彼此间隔开，使得燃烧空气和燃料将单独注入炉子中并在炉子中燃烧。由此，获得小粒径和窄的聚集体尺寸分布的炭黑，并且最小化对燃烧段中反应器壁耐火材料造成的损坏。美国专利第7,655,209号涉及用于生产炭黑的所谓的“富含深层燃料(deepfuelrich)”方法，其中使用反应器废气，优选不使用天然气或有氧化剂气体流的其它辅助可燃气体进料流，，其提供小于化学计量的80％的氧气量，以产生燃烧气体。优选地，预先加热废气，脱去其中的水，并且如果需要，除去二氧化碳。反应器废气中的氢气和一氧化碳的含量由此用作可燃材料。该方法的优点在于，由于更完全地利用所使用的原料，改进了整个方法的经济性，从而显著降低了原料成本。尽管美国专利第7,665,209号中教导了可选地从废气中除去二氧化碳，但是利用氢气和一氧化碳作为主要或唯一可燃材料将导致所产生的燃烧气体中二氧化碳浓度的增加。美国专利第3,438,732号公开了一种生产炭黑的方法，其中处理来自生产过程的尾气以除去氢气、一氧化碳和水，随后优选作为用于炭黑原料的雾化气体再循环至该过程。其中，由尾气产生的惰性气体基本上由氮气和二氧化碳组成。由此，可以提高相对于炭黑原料的炭黑收率。上述讨论的现有技术文献都没有解决控制孔隙率，特别是降低生成的炭黑的孔隙率的问题。被公开的受一些上述讨论的现有技术参考文献中的工艺方案影响的唯一产品参数是燃烧化学计量对所得炭黑的粒径和粒径分布的影响。因此，本专利技术的目的是提供一种炭黑生产方法，该方法适于控制所得炭黑的孔隙率，特别是降低炭黑的孔隙率。本专利技术的另一个目的是由此同时减少炭黑生产工艺的环境影响。如果可以降低反应器废气中对环境有害的气体如NOx、SOx或CO2的浓度是特别有益的。
技术实现思路
这些目的已通过用于生产炭黑的炉法来实现，所述炉法包括：-将含O2气流、包含可燃材料的燃料流和任选的一种或多种其他气流进料到炉反应器；-使可燃材料在燃烧步骤中进行燃烧以提供热烟道气(fuelgas)流，其中将含O2气流、包含可燃材料的燃料流和任选的一种或多种其他气流以提供小于1.2的k因子的量进料到燃烧步骤，其中k因子定义为理论上在燃烧步骤中所有可燃物质按化学计量燃烧所需的O2与进料至燃烧步骤的总O2的比例；-在反应步骤中使炭黑原料与热烟道气流接触以形成炭黑；-在终止步骤中终止炭黑形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有130m

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.29 EP 14182786.51.一种具有130m2/g至350m2/g的STSA表面积的炉法炭黑，其中-如果STSA表面积在130m2/g至150m2/g的范围内，则BET表面积与STSA表面积的比例小于1.1，-如果STSA表面积大于150m2/g至180m2/g，则BET表面积与STSA表面积的比例小于1.2，-如果STSA表面积大于180m2/g，则BET表面积与STSA表面积的比例小于1.3；并且所述STSA表面积和所述BET表面积根据ASTMD6556测得。2.根据权利要求1所述的炉法炭黑，其具有140m2/g至300m2/g，优选150m2/g至280m2/g，更优选160m2/g至250m2/g的STSA表面积。3.根据前述权利要求中任一项所述的炉法炭黑，其中-如果STSA表面积在130m2/g至150m2/g的范围内，则BET表面积与STSA表面积的比例小于1.09，-如果STSA表面积大于150m2/g至180m2/g，则BET表面积与STSA表面积的比例小于1.15，-如果STSA表面积大于180m2/g，则BET表面积与STSA表面积的比例小于1.25。4.根据前述权利要求中任一项所述的炉法炭黑，其具有140m2/g至350m2/g的STSA表面积，-如果STSA表面积在140m2/g至150m2/g的范围内，则BET表面积与STSA表面积的比例小于1.1，优选小于1.09，-如果STSA表面积大于150m2/g至180m2/g，则BET表面积与STSA表面积的比例小于1.2，优选小于1.15，-如果STSA表面积大于180m2/g，则BET表面积与STSA表面积的比例小于1.3，优选小于1.25。5.根据前述权利要求中任一项所述的炉法炭黑，其具有根据ASTMD2414测量的20-200ml/100g，优选30-170ml/100g，更优选100-170ml/100g的OAN值。6.一种用于生产炭黑的炉法，其包括：-将含O2气流、包含可燃材料的燃料流和任选的一种或多种其他气流进料到炉反应器；-使所述可燃材料在燃烧步骤中进行燃烧以提供热烟道气流，其中将所述含O2气流、所述包含可燃材料的燃料流和任选的至少一种其他气流以提供小于1.2的k因子的量进料到所述燃烧步骤，其中所述k因子定义为理论上在所述燃烧步骤中所有可燃材料按化学计量燃烧所需的O2与进料至所述燃烧步骤的总O2的比例；-在反应步骤中使炭黑原料与所述热烟道气流接触以形成炭黑；-在终止步骤中终止炭黑形成反应；其中基于进料到所述燃烧步骤的可燃组分除外的气相组分总体积，进料到所述燃烧步骤的组合流包含小于20.5体积％的O2和小于3.5体积％的二氧化碳；和/或将惰性气体流进料至所述反应步骤和所述终止步骤中的至少一个，所述惰性气体流包含的选自含氧化合物的组分的总量为至多16体积％。7.根据权利要求6所述的炉法，其中k因子为0.15至1.2，优选为0.3至1.15，更优选为0.75至1.15，更加优选为0.85至1.1，最优选为0.95至1.05。8.根据权利要求6或7所述的炉法，其中基于进料到所述燃烧步骤的可燃组分除外的气相组分的总体积，进料到所述燃烧步骤的组合流包含1.0体积％至20.0体积％，优选2.5体积％至19.5体积％，更优选5.0体积％至19.0体积％的O2，和/或小于2.0体积％，优选小于1.0体积％，更优选小于...

【专利技术属性】
技术研发人员：科妮·福格勒，埃迪·蒂莫曼斯，阿恩特彼得·申克尔，
申请(专利权)人：欧励隆工程炭公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE