一种制备超宽聚集体分布炭黑的反应炉及其制备方法

摘要

本发明公开了一种制备超宽聚集体分布炭黑的反应炉及其制备方法，包括依次连接的燃烧室、主反应段和急冷段，所述反应炉为Y形，所述燃烧室为2个，分别为第一燃烧室和第二燃烧室，所述第一燃烧室设有原料油喷入口一，所述第二燃烧室设有原料油喷入口二，所述原料油喷入口一与原料油喷入口二位于燃烧室轴线的不同位置，本发明的反应炉结构简单，控制方便，采用本发明反应炉和制备方法制得的炭黑具有超宽聚集体尺寸分布，以及相对于常规N200炭黑在橡胶中改进的分散性。

权利要求

1.一种利用反应炉制备超宽聚集体分布炭黑的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将燃料油、空气和原料油喷入燃烧室中，第一燃烧室中：燃料油的喷入量为800-

1200kg/h，空气的通入量为20000-25000m3/h，原料油的喷入量为6000-8000kg/h，第二燃烧室中：燃料油的喷入量为600-900kg/h，空气的通入量为8000-11000m3/h，原料油的喷入量为4700-4900kg/h；

(2)所述燃料油、原料油和空气在燃烧室和主反应段反应，形成炭黑烟气混合气流，然后经过急冷段急冷后，得到超宽聚集体分布的炭黑；

所述反应炉包括依次连接的燃烧室、主反应段和急冷段，所述反应炉为Y形，所述燃烧室为2个，分别为第一燃烧室和第二燃烧室，所述第一燃烧室设有原料油喷入口一，所述第二燃烧室设有原料油喷入口二，所述原料油喷入口一与原料油喷入口二位于燃烧室轴线的不同位置，所述急冷段设有至少3组水枪，各组水枪沿急冷段的轴线排列，所述第一燃烧室设有2个空气喷入口，2个空气喷入口分别与第一燃烧室相切，所述第二燃烧室设有2个空气喷入口，2个空气喷入口分别与第二燃烧室相切。

2.根据权利要求1所述的制备超宽聚集体分布炭黑的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，第一燃烧室中空气的预热温度为650-950℃，第二燃烧室中空气的预热温度为500-700℃。

3.根据权利要求2所述的制备超宽聚集体分布炭黑的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，第一燃烧室中原料油的预热温度为160-240℃，第二燃烧室中原料油的预热温度为120-

180℃。

4.根据权利要求3所述的制备超宽聚集体分布炭黑的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，第一燃烧室中原料油的入炉压力为2.0-3.2MPa，第二燃烧室中原料油的入炉压力为

1.2-2.5MPa。

5.根据权利要求1-4任一所述的制备超宽聚集体分布炭黑的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，急冷段包括一次急冷和二次急冷，一次急冷通过2组水枪完成。

6.根据权利要求5所述的制备超宽聚集体分布炭黑的方法，其特征在于，经过第一组水枪的急冷后，燃气流的温度为800-1000℃，经过第二组水枪的急冷后，燃气流的温度为600-

700℃。

说明书

一种制备超宽聚集体分布炭黑的反应炉及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超宽聚集体分布的炭黑生产设备及其生产工艺技术领域，具体而言，涉及一种制备超宽聚集体分布炭黑的反应炉及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着全民环境保护意识的增强，轮胎制造商推出“绿色轮胎”新产品，即能够降低滚动阻力20％以上，可为轿车轮胎用户节省燃料3％-5％；为载重轮胎用户节省燃料6％-8％，从而降低汽车排出的气体对大气的污染。

[0003] 用作橡胶补强剂的炭黑，是仅次于生胶的第二大橡胶材料。炭黑厂商正致力于开发兼具低滚动阻力与良好耐磨性的炭黑品种，开发方向包括宽的炭黑聚集体尺寸分布，高表面活性炭黑，高结构炭黑，大粒径炭黑，炭黑与白炭黑联用等。

[0004] 炭黑聚集体是一种不连续的刚性胶态实体，是炭黑的最小可分散单元，它由延伸的许多熔聚粒子组成。可以用电子显微镜法、反射率法、激光法和离心沉降法测试炭黑聚集体大小。用离心沉降法比较直观，价格和运行成本比较低，分辨率较高，因此离心沉降法测试炭黑聚集体尺寸分布得到广泛应用，测试原理是将颗粒通过超声作用分散于一种分散液中，在离心力的作用下进行沉降，由于粒子的大小及形态不同，沉降的速度亦不同，从而可以确定粒子形态差异及分布。

[0005] 如果炭黑的所有其他特征保持不变，窄的聚集体尺寸分布增加炭黑分散难度，并降低弹性。宽的聚集体尺寸分布促进炭黑在聚合物(如橡胶)基质中的分散性，同时橡胶与炭黑粒子间的相互作用较强。聚集体尺寸分布加宽，胶料的拉伸强度、定伸应力、撕裂能和生热性都会降低，一般来说，炭黑聚集体尺寸分布加宽，胶料的耐磨性和生热性都会降低，特别是大尺寸聚集体比例增加时，耐磨性下降更为明显。

[0006] 因此，从轮胎生产方面来看，要求实现较低的滚动阻力、较高的耐磨性和较好的滞后性之间的平衡，迫切需要炭黑生产者制备出具有较宽聚集体尺寸分布，同时提高能改善耐磨性的结构度和比表面积的炭黑。

发明内容

[0007] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种制备超宽聚集体分布炭黑的反应炉及其制备方法，本发明的反应炉结构简单，控制方便，采用本发明反应炉和制备方法制得的炭黑具有宽聚集体尺寸分布，以及相对于常规N200炭黑(例如N234)在橡胶中改进的分散性。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0009] 一种制备超宽聚集体分布炭黑的反应炉，包括依次连接的燃烧室、主反应段和急冷段，所述反应炉为Y形，所述燃烧室为2个，分别为第一燃烧室和第二燃烧室，所述第一燃烧室设有原料油喷入口一，所述第二燃烧室设有原料油喷入口二，所述原料油喷入口一与原料油喷入口二位于燃烧室轴线的不同位置。

[0010] 进一步，所述急冷段设有至少3组水枪，各组水枪沿急冷段的轴线排列。

[0011] 进一步，所述第一燃烧室设有2个空气喷入口，2个空气喷入口分别与第一燃烧室相切。

[0012] 进一步，所述第二燃烧室设有2个空气喷入口，2个空气喷入口分别与第二燃烧室相切。

[0013] 另，本发明还提供一种利用上述的反应炉制备超宽聚集体分布炭黑的方法，包括以下步骤：

[0014] (1)将燃料油、空气和原料油喷入燃烧室中，第一燃烧室中：燃料油的喷入量为800-1200kg/h，空气的通入量为20000-25000m3/h，原料油的喷入量为6000-8000kg/h，第二燃烧室中：燃料油的喷入量为600-900kg/h，空气的通入量为8000-11000m3/h，原料油的喷入量为4700-4900kg/h；

[0015] (2)所述燃料油、原料油和空气在燃烧室和主反应段反应，形成炭黑烟气混合气流，然后经过急冷段急冷后，得到超宽聚集体分布的炭黑。

[0016] 进一步，所述步骤(1)中，第一燃烧室中空气的预热温度为650-950℃，第二燃烧室中空气的预热温度为500-700℃。

[0017] 进一步，所述步骤(1)中，第一燃烧室中原料油的预热温度为160-240℃，第二燃烧室中原料油的预热温度为120-180℃。

[0018] 进一步，所述步骤(1)中，第一燃烧室中原料油的入炉压力为2.0-3.2MPa，第二燃烧室中原料油的入炉压力为1.2-2.5MPa。

[0019] 进一步，所述步骤(2)中，急冷段包括一次急冷和二次急冷，一次急冷通过2组水枪完成。

[0020] 进一步，经过第一组水枪的急冷后，燃气流的温度为800-1000℃，经过第二组水枪的急冷后，燃气流的温度为600-700℃。

[0021] 本发明的有益效果如下：

[0022] 1、本发明通过调节两燃烧室的空气喷入量、原料油量和燃料油量，并且控制空气和原料油的预热温度等工艺，增大汇聚于主反应段内流体的湍流强度，增加炭黑微粒碰撞的机会，使炭黑生成反应过程产生可控的不均匀性，使得生成炭黑的聚集体尺寸大小不一，以制备得到超宽聚集体尺寸的炭黑产品；

[0023] 2、在反应炉的炉头位置处设置导流圈，导流圈上设置螺旋形的导流槽，一方面能够加强气流的螺旋前进趋势；另一方面保证气流沿炉体的轴线前进，从而使燃烧室的火苗居于炉体的轴线上，延长炉体的使用寿命。

附图说明

[0024] 图1为本发明的反应炉整体结构示意图；

[0025] 图2为图1中炉头部分沿A-A面的剖视示意图。

[0026] 图中：1—第一燃烧室，11—空气喷入口，12—空气喷入口，13—导流槽，131—导流槽，14—原料油喷入管，15—原料油喷入管，2—第二燃烧室，21—空气喷入口，22—空气喷入口，24—原料油喷入管，25—原料油喷入管，3—主反应段，4—急冷段，41—水枪，42—水枪。

具体实施方式

[0027] 为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

[0028] 实施例一：

[0029] 如图1所示，一种制备超宽聚集体分布炭黑的反应炉，包括依次连接的燃烧室、主反应段3和急冷段4，所述反应炉为Y形，所述燃烧室为2个，分别为第一燃烧室1和第二燃烧室2，所述第一燃烧室1设有2个原料油喷入口一，原料油喷入管14和原料油喷入管15分别通过2个原料油喷入口一向第一燃烧室1内喷入油料油，所述第二燃烧室设有2个原料油喷入口二，原料油喷入管24和原料油喷入管25分别通过原料油喷入口二向第二燃烧室2内喷入原料油，所述原料油喷入口一与原料油喷入口二位于燃烧室轴线的不同位置，同时，第一燃烧室1的2个原料油喷入口相互错开，第二燃烧室的2个原料油喷入口相互错开，这样设置是为了调整原料油在高温反应炉内的反应时间，以此改变炭黑聚集体的尺寸。通过分别独立调控两个燃烧室及原料油喷入段的炭黑工艺参数使炭黑生成反应过程产生可控的不均匀性以制备得到超宽聚集体尺寸的炭黑产品。该超宽聚集体分布的炭黑应用于橡胶复合材料，在保持耐磨特性的同时能赋予胶料低滞后性。所述急冷段4设有至少3组水枪，实现一次急冷的分别为水枪41和水枪42，水枪41和水枪42沿急冷段的轴线排列，2组水枪用于实现燃气流在急冷段的一次急冷，每一组水枪设置5-10个，在两组水枪后方还设有用于实现二次急冷的至少1组水枪。

[0030] 如图2所示，所述第一燃烧室1设有空气喷入口11和空气喷入口12，2个空气喷入口分别与第一燃烧室相切。所述第二燃烧室设有2个空气喷入口，2个空气喷入口分别与第二燃烧室相切。采用2个空气喷入口，并分别与燃烧室相切，保证2个进气口中的气流方向不是相对，而是形成螺旋形气流，从而使空气和燃料油充分混合，提高空气和燃料油的混合效率和燃烧效率。在反应炉的炉头位置处设置导流圈13，导流圈13上设置螺旋形的导流槽131，一方面能够加强气流的螺旋前进趋势；另一方面保证气流沿炉体的轴线前进，从而使燃烧室的火苗居于炉体的轴线上，延长炉体的使用寿命。

[0031] 一种利用上述的反应炉制备超宽聚集体分布炭黑的方法，包括以下步骤：

[0032] (1)将燃料油、空气和原料油喷入燃烧室中，燃烧室包括第一燃烧室和第二燃烧室，第一燃烧室1中：燃料油的喷入量为800-1200kg/h，空气的通入量为20000-25000m3/h，空气的预热温度为650-950℃，原料油的喷入量为6000-8000kg/h，原料油的预热温度为160-240℃，原料油的入炉压力为2.0-3.2MPa，第二燃烧室2中：燃料油的喷入量为600-
3
900kg/h，空气的通入量为8000-11000m/h，空气的预热温度为500-700℃，原料油的喷入量为4700-4900kg/h，原料油的预热温度为120-180℃，原料油的入炉压力为1.2-2.5MPa；本发明通过调节两燃烧室的空气喷入量、原料油量和燃料油量，并且控制空气和原料油的预热温度等工艺，增大汇聚于主反应段3内流体的湍流强度，增加炭黑微粒碰撞的机会，使得生成炭黑的聚集体尺寸大小不一。

[0033] (2)所述燃料油和经过预热的空气分别在第一燃烧室、第二燃烧室燃烧生成高温燃烧气流，经高温预热的原料油分别在第一燃烧室、第二燃烧室与高温燃烧气流混合，发生不完全裂解反应生成炭黑，在主反应段汇聚，得到反应时间不同的高温炭黑烟气混合气流，然后经急冷段，急冷水喷淋以终止裂解反应和冷却烟气，得到滞留时间不同的炭黑烟气，其中，急冷段4的一次急冷分别经过两组急冷水枪喷射。经过第一组急冷水喷淋后，燃气流的温度为800-1000℃，经过第二组急冷水喷淋后，炭黑燃气流的温度为600-700℃。2组急冷水枪喷入的急冷水量差别为0.5-1t/h，实现急冷段4内燃气流轴向及径向温度都逐渐降低的温度分布差别，控制炭黑原生粒子在炉内的滞留时间不等(滞留时间是指原料油的喷入时刻与第一次冷却水喷入时刻之间的时间段)，生成的炭黑聚集体尺寸大小不一，从而得到超宽聚集体分布的炭黑。

[0034] 实施例二：

[0035] 一种利用上述的反应炉制备超宽聚集体分布炭黑的方法，包括以下步骤：

[0036] (1)将燃料油、空气和原料油喷入燃烧室中，第一燃烧室1中：燃料油的喷入量为3
800kg/h，空气的通入量为20000m /h，空气的预热温度为650℃，原料油的喷入量为6000kg/h，原料油的预热温度为160℃，原料油的入炉压力为2.0MPa，第二燃烧室2中：燃料油的喷入量为600kg/h，空气的通入量为8000m3/h，空气的预热温度为500℃，原料油的喷入量为
4700kg/h，原料油的预热温度为120℃，原料油的入炉压力为1.2MPa；

[0037] (2)所述燃料油和高温空气在主反应段3反应，形成高温燃气流，经过预热的原料油与高温燃气流混合后发生裂解反应制得炭黑，因燃烧室一与燃烧室二的结构不同，两燃烧室生成炭黑的反应时间不同，然后经过急冷段4急冷后，得到滞留时间不同的超宽聚集体分布的炭黑，其中，急冷段4的急冷包括一次急冷和二次急冷。经过一次急冷的第一组急冷水喷淋后，燃气流的温度为800℃，经过一次急冷的第二组急冷水喷淋后，燃气流的温度为600℃，滞留时间为0.01s。

[0038] 实施例三：

[0039] 一种利用上述的反应炉制备超宽聚集体分布炭黑的方法，包括以下步骤：

[0040] (1)将燃料油、空气和原料油喷入燃烧室中，第一燃烧室1中：燃料油的喷入量为1000kg/h，空气的通入量为22000m3/h，空气的预热温度为800℃，原料油的喷入量为
7000kg/h，原料油的预热温度为200℃，原料油的入炉压力为2.6MPa，第二燃烧室2中：燃料油的喷入量为700kg/h，空气的通入量为9000m3/h，空气的预热温度为600℃，原料油的喷入量为4800kg/h，原料油的预热温度为150℃，原料油的入炉压力为1.8MPa；

[0041] (2)所述燃料油、原料油和空气在主反应段3反应，形成炭黑烟气混合气流，然后经过急冷段4急冷后，得到超宽聚集体分布的炭黑，其中，急冷段4的急冷包括一次急冷和二次急冷。经过一次急冷的第一组急冷水喷淋后，燃气流的温度为900℃，经过一次急冷的第二组急冷水喷淋后，燃气流的温度为650℃，滞留时间0.005s。

[0042] 实施例四：

[0043] 一种利用上述的反应炉制备超宽聚集体分布炭黑的方法，包括以下步骤：

[0044] (1)将燃料油、空气和原料油喷入燃烧室中，第一燃烧室1中：燃料油的喷入量为1200kg/h，空气的通入量为25000m3/h，空气的预热温度为950℃，原料油的喷入量为
8000kg/h，原料油的预热温度为240℃，原料油的入炉压力为3.2MPa，第二燃烧室2中：燃料油的喷入量为900kg/h，空气的通入量为11000m3/h，空气的预热温度为700℃，原料油的喷入量为4900kg/h，原料油的预热温度为180℃，原料油的入炉压力为2.5MPa；

[0045] (2)所述燃料油、原料油和空气在主反应段3反应，形成炭黑烟气混合气流，然后经过急冷段4急冷后，得到超宽聚集体分布的炭黑，其中，急冷段4的急冷包括一次急冷和二次急冷。经过一次急冷的第一组急冷水喷淋后，燃气流的温度为1000℃，经过一次急冷的第二组急冷水喷淋后，燃气流的温度为700℃，滞留时间0.001s。

[0046] 对比试验：

[0047] 用圆盘式离心沉降仪测试N234炭黑与本发明实施例三制得的炭黑的聚集体尺寸，主要分布数据如下表1，其中D10＝累积分布百分数达到10％时所对应的粒径值；D50＝累积分布百分数达到50％时所对应的粒径值；D90＝累积分布百分数达到90％时所对应的粒径值，最频值是指频率出现最高的聚集体尺寸，在重量分布曲线的最高点，span值是聚集体尺寸分布宽度：

[0048] 表1N234和实施例三的炭黑聚集体尺寸分布数据

[0049]样品 N200 实施例三
D10/μm 0.052 0.080
D50/μm 0.084 0.150
D90/μm 0.126 0.295
平均值/μm 0.077 0.170
最频值/μm 0.088 0.010
半峰宽 0.76 1.50
Span＝(D90-Dl0)/D50 0.888 1.50

[0050] 从表1可以看出，本发明实施例三制得的炭黑聚集体D50和D90能够达到N234炭黑的2倍左右，说明实施例三的炭黑聚集体的尺寸明显增大，同时聚集体尺寸分布宽度Span是某一N200系列炭黑的2倍左右，半峰宽也佐证了这一事实。本发明实施例三制得的超宽聚集体尺寸分布的炭黑能赋予全钢和半钢轮胎较低的滚动阻力，生热降低，较好的抗湿滑性，特别是高的抗冰滑性，同时它的耐磨性能与N234相当或略有提高。

[0051] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。