способ получения сажи

Формула изобретения

Способ получения сажи, включающий сжигание топлива с воздухом, подачу аксиального потока углеводородного сырья и двух коаксиальных потоков кислородсодержащего газа, термическое разложение сырья в продуктах горения топлива с образованием сажегазовых продуктов, термообработку их при 1450 - 1550^oС в течение 0,2 - 0,5 с, закалку до 600 - 700^oС и отделение сажи от газовых продуктов, отличающийся тем, что сажегазовые продукты после термообработки охлаждают до 800 - 1100^oС путем подачи воды и осуществляют активацию поверхности сажи в течение 0,1 - 1,5 с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству сажи и может быть использовано при получении печным способом электропроводной элементной сажи, используемой для изготовления химических источников тока.

В производстве химических источников тока в настоящее время используется только ацетиленовая элементная сажа, что обусловлено ее уникальными свойствами, в частности, высокой адсорбционной способностью по отношению к электролиту.

Адсорбционная способность элементной сажи характеризует взаимодействие ее поверхности с электролитом, в частности, смачиваемость электролитом и способность адсорбировать электролит.

Смачиваемость сажи электролитом оценивается показателем ее качества "массовая доля веществ, растворимых в ацетоне". Способность сажи адсорбировать электролит оценивается показателем "адсорбционное число". Величины данных показателей сажи определяются по методикам, изложенным в технических условиях ТУ38 41513-90 "Углерод технический печной электропроводный марки Термокс 277-ХИТ".

Средняя величина вышеуказанных показателей для ацетиленовой элементной сажи составляет: адсорбционное число 15-22 см³/5 г, массовая доля веществ, растворимых в ацетоне - до 0,1 мас.%. В отечественной промышленности получение ацетиленовой сажи осуществляют термическим разложением ацетилена под высоким давлением - взрывным способом. Ацетилен, сжатый в последовательно установленных компрессорах под давлением 10 кгс/см², поступает в стальные реакторы с водяной рубашкой охлаждения, где взрывается с помощью электрического разряда, разлагаясь при этом на сажу и водород. Продукты разложения ацетилена после охлаждения поступают из реактора в систему улавливания. Водород удаляется в атмосферу, а сажа из бункера циклона улавливания направляется на упаковку. Процесс получения ацетиленовой сажи взрывным способом - периодический и требует строгого соблюдения правил техники безопасности вследствие большой взрывоопасности [1].

Таким образом, наряду с использованием дефицитного сырья и ограниченными его ресурсами, сложностью управления процессом и регулирования качественных показателей продукта, процесс получения ацетиленовой сажи характеризуется взрывоопасностью и низкой производительностью.

Сажи, получаемые печным способом из жидкого углеводородного сырья, который по сравнению с ацетиленовым способом является более простым, безопасным и располагает обширными сырьевыми ресурсами, не находят применения в производстве химических источников тока, так как они имеют низкую адсорбционную способность по отношению к электролиту и не обеспечивают необходимых электрических характеристик элементов. Для увеличения адсорбционной способности печной сажи необходимо повышение показателя "адсорбционное число" и снижение показателя "массовая доля веществ, растворимых в ацетоне".

Известен печной способ получения сажи, включающий сжигание топлива с воздухом с образованием потока продуктов горения, подачу аксиального потока углеводородного сырья в поток продуктов горения топлива и коаксиально между ними потока кислородсодержащего газа, термическое разложение сырья с образованием сажегазовых продуктов, введение в сажегазовые продукты кислородсодержащего газа и последующие закалку и отделение сажи от газов [2].

Полученная известным способом сажа обладает электропроводящими свойствами, но низкая адсорбционная способность не позволяет применить ее в химических источниках тока.

Изобретение ставит своей задачей повышение адсорбционной способности сажи, полученной печным способом из жидкого углеводородного сырья. При применении данной сажи в химических источниках тока будут достигнуты электрические характеристики элементов, аналогичные элементам на основе ацетиленовой сажи. В то же время печной способ получения сажи по изобретению значительно безопаснее, легко поддается автоматическому регулированию, имеет высокую производительность и практически неограниченные ресурсы сырья.

Способ получения сажи включает сжигание топлива с воздухом, подачу аксиального потока углеводородного сырья и двух коаксиальных потоков кислородсодержащего газа, термическое разложение сырья в продуктах горения топлива с образованием сажегазовых продуктов, термообработку их при 1450-1550^oC в течение 0,2-0,5 с, последующее охлаждение до 800-1100^oC путем подачи воды и активацию поверхности сажи в течение 0,1-1,5 с, закалку до 600-700^oC и отделение сажи от газовых продуктов.

Отличие способа состоит в том, что он включает дополнительную стадию активации поверхности сажи, осуществляемую после термообработки перед закалкой и заключающуюся в охлаждении сажегазовых продуктов путем подачи воды и выдержке полученной сажи при температуре 800-1100^oC в течение 0,1-1,5 с.

В процессе термообработки сажегазовых продуктов на поверхности сажи протекают одновременно два типа реакций: реакции газификации углерода с образованием оксида углерода и реакции парового крекинга высокомолекулярных углеводородов, представляющих собой продукты неполного разложения исходного углеводородного сырья. Наличие этих углеводородов на поверхности сажи является причиной плохой смачиваемости сажи электролитом и ее низкой способности адсорбировать электролит. На стадии термообработки при температуре 1450-1550^oC доминирующую роль играют реакции газификации. В результате этой стадии обеспечиваются высокие электропроводящие свойства сажи. Однако времени термообработки сажегазовых продуктов в известном способе недостаточно для снижения содержания веществ, экстрагируемых ацетоном. Увеличение времени термообработки приводит к росту адсорбционной способности сажи, но при этом вследствие интенсивной газификации сажи резко снижается ее выход из сырья. При охлаждении сажегазовых продуктов после термообработки до 800-1100^oC скорость реакций газификации значительно снижается и в результате повышения концентрации водяных паров в газовых продуктах начинают играть доминирующую роль реакции парового крекинга углеводородов. При этом с поверхности сажи удаляются органические примеси, что приводит к улучшению ее смачиваемости и повышению способности адсорбировать электролит. В результате достигается значительное повышение адсорбционной способности получаемой сажи и при применении ее в химических источниках тока обеспечиваются электрические характеристики, аналогичные источникам тока с ацетиленовой сажей.

На чертеже изображен реактор для осуществления предлагаемого способа получения сажи. Реактор содержит металлический корпус 1, в котором последовательно расположены воздушная камера 2, камера смешения 3, камера реакции 4, камера активации 5 и камера закалки 6. Воздушная камера снабжена патрубком 7 для подачи воздуха на горение. На передней стенке воздушной камеры по оси реактора смонтировано горелочно-форсуночное устройство 9, снабженное патрубками для подачи топлива, сырья, основного и дополнительного потоков кислородсодержащего газа.

В конце камеры реакции 4 радиально установлены водяные форсунки 10, на участке установки которых между камерами реакции 4 и активации 5 для улучшения условий испарения воды и смешения может быть выполнена сужающая втулка 11. В конце камеры активации 5 радиально установлены водяные форсунки 12, на участке установки которых между камерами активации 5 и закалки 5 также может быть установлена сужающая втулка 13. В конце камеры закалки 6 на корпусе реактора смонтирован патрубок 14 для вывода сажегазовых продуктов.

Камеры смешения, реакции, активации и закалки сформированы огнеупорной футеровкой 15, выполненной внутри корпуса 1.

Реактор работает следующим образом.

Предварительно подогретый воздух на горение через патрубок 7 и воздушную камеру 2 поступает в камеру смешения 3 и смешивается с топливом, подаваемым через горелочно-форсуночное устройство 9. Топливовоздушная смесь сгорает в камере реакции 4 с образованием потока продуктов сгорания. Через горелочно-форсуночное устройство 9 подают также распыленное углеводородное сырье и коаксиально с ним два потока кислородсодержащего газа, например, воздуха, предназначенные для диспергирования сырья и формирования сырьевого факела.

За счет интенсивного тепло- и массообмена с продуктами сгорания сырье разлагается с образованием сажегазовых продуктов. Затем в камере 4 при температуре 1450-1550^oC в течение 0,2-0,5 с происходит термообработка сажи. После этого в сажегазовые продукты через форсунки 10 подают воду, в результате испарения которой сажегазовые продукты охлаждают до 800-1100^oC. При этой температуре в течение 0,1-1,5 с происходит активация сажи. Затем осуществляют закалку сажегазовых продуктов до 300-700^oC путем подачи в них воды через форсунки 12. Охлажденные сажегазовые продукты выводят из реактора через патрубок 14 и подают в систему устройств для отделения сажи от газовых продуктов реакции и ее последующей обработки.

Пример 1. Опыты проведены на опытно-промышленном реакторе. Реактор оснащен камерой активации. Длина камеры активации (расстояние между форсунками для подачи воды в камеру активации и в камеру закалки) - 3 м.

В реактор подают воздух с температурой 400^oC в количестве 3000 м³/ч и топливо - пропан-бутановую смесь в количестве 40 м³/ч. В качестве сырья в реактор подают пиролизную смолу, предварительно подогретую до 150^oC, в количестве 1000 кг/ч. Коаксиально потоку сырья подают два потока воздуха: основной - 120 м³/ч и дополнительный - 320 м³/ч.

В опытах 1-4 (табл.1) изменением расхода воды варьировали температуру в камере активации в диапазоне от 800 до 1100^oC. Образцы полученной сажи анализировали в соответствии с методиками ТУ38 41513-90. Выход сажи из сырья определяли расчетом по материальному балансу процесса. Результаты опытов приведены в табл.1.

При температуре активации 800-1100^oC (опыты 1-4) получаемая сажа имеет адсорбционное число 18-22 см³/5 г, массовая доля веществ, растворимых в ацетоне, составляет 0,01-0,08 мас.%. Величины этих показателей аналогичны показателям ацетиленовой элементной сажи. Выход сажи из сырья составляет 30-35% мас.%.

Пример 2. Опыты проведены при условиях, аналогичных опыту 2 в примере 1. В опытах меняли длину камеры активации путем установки форсунок для подачи воды в камеру закалки на расстоянии от форсунок для подачи воды в камеру активации - 1,0; 4,0; 8,0; 12,0 м. При этом время активации варьировали в диапазоне от 0,1 до 1,5 с (табл. 2).

При времени активации 0,1-1,5 с (опыты 5-8) величины показателей "адсорбционное число" и "массовая доля веществ, растворимых в ацетоне" соответствуют требованиям, предъявляемым к элементной саже.

Сажа, полученная в соответствии с предлагаемым изобретением, испытана в производстве марганцево-цинковых источников тока с солевым и щелочным электролитом в сравнении с ацетиленовой сажей. В табл. 3 представлены результаты испытаний опытных образцов печной элементной сажи (опыты 1-8 табл. 1 и 2) в производстве элементов 373 "Марс". В таблице представлены средние значения результатов испытаний из 20 элементов на соответствие требованиям нормативной документации при непрерывном и прерывистом разрядах. Непрерывный разряд элементов осуществляли на нагрузке R = 20 Ом при температуре 20^oC до конечного напряжения 0,85В. При этом продолжительность работы источника по требованиям ТУ15-50903-81 должны быть не менее 40 ч. В процессе испытаний определяли напряжение разомкнутой цепи, начальное напряжение и продолжительность работы источника.

Прерывистый разряд осуществляли на нагрузке R = 39 Ом при температуре 20^oC до конечного напряжения 0,9В. При этом продолжительность работы источника по требованиям ТУ16-50303-81 должна быть не менее 140 ч. Характеристики источников, определяемые при прерывистом разряде, аналогичны характеристикам при непрерывном разряде.

Характеристики элементов на основе образцов сажи, полученных по предлагаемому способу, не уступают элементам из ацетиленовой сажи и соответствуют требованиям нормативной документации на их производство.

Таким образом, в результате испытаний установлено, что полученная в соответствии с предлагаемым изобретением печная элементная сажа обладает высокой адсорбционной способностью и обеспечивает необходимые характеристики элементов. На опытном производстве КТИТУ СО РАН организован выпуск опытных партий печного элементного технического углерода марки "Термокс 277-ХИТ" для проведения его промышленных испытаний в производстве химических источников тока.

Источники информации

1. Зуев В. П. , Михайлов В.В. Производство сажи. М.: Химия, 1970, с. 190-196.

2. Патент Франции N 2129085, кл. C 04 C 1/00, 1972.