CN1398780A - 一种裂解烃类生产碳黑和氢气的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种裂解烃类生产碳黑和氢气的方法是通入氩气，向两极施加直流电，高频引弧将气体击穿，使气体持续放电，形成高温等离子体射流；通入原料烃，在无氧环境下将其与高温等离子体射流混合，原料烃即被电离、分解，转化成碳黑、氢气及其它微量烃类产物。本发明具有碳黑收率高、无污染的优点。
Description
技术领域：
本发明属于一种裂解烃类生产炭黑和氢气的技术，具体地说是利用热等离子体高温、高反应活性的特点，在无氧环境下裂解烃类生产高纯度纳米碳黑和氢气的生产方法及装置。
背景技术：
碳黑是烃类不完全燃烧或热解的产物，它的制造非常简单，早在公元3世纪，我们的祖先就开始利用碳黑作为墨中的颜料。目前工业上得到应用的主要方法有：炉法、槽法、热法、灯法。其中炉法是目前碳黑的主流制造方法，是由烃类在炉中的不完全燃烧生成。根据原料的种类可分为气炉法和油炉法两种。现在橡胶用炭黑和色素用炭黑大部分是用油炉法制造的。
油炉法基本制造过程是，由耐火砖衬里的圆筒状燃烧区、反应区及反应终止区三部分同轴连接的反应炉，在燃烧区使燃料烃用过剩的空气燃烧，生成高温燃烧气体，该高温燃烧气体进入相连的反应区，将原料烃油导入反应区高温燃烧气流中，原料油一部分发生燃烧，其余部分裂解，生成炭黑。含有生成炭黑的气流在反应炉后部反应终止区被急冷，反应终止，然后在收集工段回收。
在上述过程中，在原料烃油的一部分裂解为炭黑和氢气的同时，另一部分烃油由于燃烧和裂解反应，生成一氧化碳、二氧化碳及水蒸气等。从而转化成炭黑的只是原料烃油的一部分。一般情况，原料烃油中的碳素有40～80％转化成炭黑，其余部分转化为一氧化碳、二氧化碳和水蒸气，此外还有微量的甲烷、乙烯等形成气体燃烧生成物。这些气态燃烧生成物经分离收集炭黑后，用大量的空气使其燃烧，转化成二氧化碳排除系统之外。
如前所述，油炉法虽具有产能高、价廉等优点，但存在诸多不利问题，原料烃油中的碳素只有一部分转化为炭黑，因此碳黑收率低。且排放大量碳氧化物、氮氧化物等污染性气体，造成了严重的环境污染。
发明内容：
本发明的目的是提供一种碳黑收率高、无污染的利用等离子体技术裂解烃类制备纳米炭黑和氢气的方法及专用装置。本发明的生产方法包括如下步骤：
(1)、通入氩气，向两极施加40-50V电压的直流电，使电流为70-90A，，高频引弧将气体击穿，使气体持续放电，形成高温等离子体射流；
(2)以原料烃∶氩气＝1∶5-20的体积比通入原料烃，在无氧环境下将其与高温等离子体射流混合，原料烃即被电离、分解，转化成碳黑、氢气及其它微量烃类产物；
(3)、反应结束后，用变压吸附分离出氢气和氩气，并收集固相产物碳黑，具体分离氢气见专利申请号为001089358的专利；
(4)、分离出的氩气循环使用。
如上所述所的原料烃是C1-C4的烷烃
完成本发明所需的专用装置是阴极和阳极之间通过绝缘法兰连接，冷却水管及烃原料导入管与阳极相连，阳极和反应管之间用法兰连接，氩气导入管与阴极相连。
本发明与现有技术相比具有如下优点：由于采用上述方案，整个反应过程处于无氧环境，烃类原料不发生氧化燃烧反应，几乎完全转化为所需的产品。不仅不会产生环境污染，而且可改变工艺参数控制所得产品粒度。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是等离子体反应器的纵剖面构造图。
实施例1
如图所示阴极2和阳极4之间通过绝缘法兰6连接，冷却水管5及烃原料导入管1以焊接方式与阳极4相连，阳极4和反应管7之间是法兰8连接，3是氩气导入管。将氩气以6L/min的流量通过氩气导入管3通入氩气，同时向阴极2和阳极4两极施加40V电压的直流电，使气体持续放电，形成电弧。调整电流为70A，以0.6L/min的流量通过烃原料导入管1通入甲烷，在无氧环境下将其与高温等离子体射流混合，甲烷即被电离、分解，转化成碳黑、氢气及其它微量烃类产物。反应结束后用气相色谱分析产物气体组分，用变压吸附分离出氢气和氩气，氩气循环使用，并收集固相产物碳黑，用透射电镜观察颗粒大小和形状，扫描电镜观察其表面形貌，其结果例于表1中。
实施例2
将氩气以12L/min的流量通过氩气导入管3通入氩气，同时向阴极2和阳极4两极施加50V电压的直流电，使气体持续放电，形成电弧。调整电流为80A，以0.8L/min的流量通过烃原料导入管1通入乙烷，在无氧环境下将其与高温等离子体射流混合，甲烷即被电离、分解，转化成碳黑、氢气及其它微量烃类产物。反应结束后用气相色谱分析产物气体组分，用变压吸附分离出氢气和氩气，氩气循环使用，并收集固相产物碳黑，用透射电镜观察颗粒大小和形状，扫描电镜观察其表面形貌，其结果例于表1中。
实施例3
将氩气以20L/min的流量通过氩气导入管3通入氩气，同时向阴极2和阳极4两极施加40V电压的直流电，使气体持续放电，形成电弧。调整电流为90A，以1L/min的流量通过烃原料导入管1通入丙烷，在无氧环境下将其与高温等离子体射流混合，甲烷即被电离、分解，转化成碳黑、氢气及其它微量烃类产物。反应结束后用气相色谱分析产物气体组分，用变压吸附分离出氢气和氩气，氩气循环使用，并收集固相产物碳黑，用透射电镜观察颗粒大小和形状，扫描电镜观察其表面形貌，其结果例于表1中。
表1
| 条件、结果/例号 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 流量(L/min) | 甲烷0.6 | 乙烷0.8 | 丙烷1.0 |
| 氩气流量(L/min) | 6.0 | 12 | 20 |
| 电流(A) | 70 | 80 | 90 |
| 炭黑粒度及形藐 | 所得碳黑颗粒为球形或近球形，分散较好，无团聚现象。颗粒均匀，直径分布在5-50纳米。 | ||
| 气体组成(％) | 氢气98；甲烷1其它气体1 | 氢气99；乙烷0.4其它气体0.6 | 氢气99；丙烷0.3其它气体0.7 |
Claims (2)
1.一种裂解烃类生产碳黑和氢气的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、通入氩气，向两极施加40-50V电压的直流电，使电流为70-90A，，高频引弧将气体击穿，使气体持续放电，形成高温等离子体射流；
(2)以原料烃∶氩气＝1∶5-20的体积比通入原料烃，在无氧环境下将其与高温等离子体射流混合，原料烃即被电离、分解，转化成碳黑、氢气及其它微量烃类产物；
(3)、反应结束后，用变压吸附分离出氢气和氩气，并收集固相产物碳黑；
(4)、分离出的氩气循环使用。
2.如权利要求1所述的一种裂解烃类生产碳黑和氢气的装置，其特征在于阴极(2)和阳极(4)之间通过绝缘法兰(6)连接，冷却水管(5)及烃原料导入管(1)与阳极(4)相连，阳极(4)和反应管(7)之间用法兰(8)连接，氩气导入管(3)与阴极(2)相连。
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