PT1489145E - Processo para a produção de negro de fumo de fornalha - Google Patents
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Description
DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE NEGRO DE FUMO DE FORNALHA" A invenção refere-se a um processo para a produção de negro de fumo de fornalha.
Os negros de fumo de forno, ou também negros de fumo de fornalha, são produzidos em grandes quantidades em reactores de negro de fumo para as mais diversas aplicações técnicas. Os reactores de negro de fumo consistem em geral em câmara de combustão, câmara de mistura e câmara de reacção dispostas ao longo do eixo do reactor, que estão ligadas umas às outras e formam uma trajectória do caudal para os meios de reacção, a partir da câmara de combustão através da câmara de mistura para a câmara de reacção. Na câmara de combustão é queimado um combustível, para a produção de uma temperatura elevada, habitualmente gás ou óleo, com o auxílio de um queimador, sob adição de ar de combustão previamente aquecido. Nos gases de combustão quentes é pulverizada uma matéria-prima de negro de fumo contendo carbono, maioritariamente líquida, por exemplo um óleo de negro de fumo, em que uma parte da matéria-prima de negro de fumo é queimada e a restante é convertida em negro de fumo e gás residual por cisão térmica. Como matéria-prima de negro de fumo servem por exemplo hidrocarbonetos de composição altamente aromática, como óleos etéreos de carbono, resíduos do craqueamento de etileno e outros produtos de petróleo. A matéria-prima de negro de fumo é habitualmente pulverizada ou injectada numa câmara de mistura formada como 1 local de estreitamento para, através da turbulência elevada aí prevalecente dos gases de combustão, alcançar-se uma mistura intensiva da matéria-prima de negro de fumo com os gases de combustão quentes. Esta mistura entra depois na câmara de reacção do negro de fumo, que habitualmente possui uma secção alargada face ao local de estreitamento. Nesta câmara de reacção decorre o próprio processo de formação de negro de fumo a partir da formação de núcleos com subsequente crescimento dos núcleos de negro de fumo e é parada a jusante por pulverização com água. Em que todos os componentes do reactor consistem numa cobertura de aço com um revestimento interno de material cerâmico.
Os processos físicos e químicos que decorrem durante a formação do negro de fumo são muito complexos. 0 calor do gás de combustão é transferido muito rapidamente para as gotículas pulverizadas da matéria-prima de negro de fumo e conduz a uma evaporação mais ou menos completa das gotículas. Uma parte da matéria-prima de negro de fumo evaporada é queimada no excesso do ar de combustão. Sob estas condições, as moléculas da matéria-prima de negro de fumo são desidratadas e formam núcleos de negro de fumo. A formação de núcleos está no essencial limitada a uma área espacial delimitada, a zona de formação de núcleos, no interior da câmara de reacção directamente após a câmara de mistura. Na área a jusante da câmara de reacção, os núcleos de negro de fumo crescem para formar partículas primárias em forma de esferas ou agulhas. As partículas primárias depositam-se por sua vez sob as condições reactivas na câmara de reacção para formar agregados maiores, solidamente ligados uns aos outros. 0 modo desta deposição conjunta é geralmente descrita como a estrutura do negro de fumo. 2
As medidas essenciais para influenciar a formaçao de negro de fumo são o excesso de ar ou de oxigénio nos gases de combustão, a temperatura dos gases de combustão e a duração da reacção ou de residência que começa com a mistura da matéria-prima de negro de fumo nos gases de combustão até à paragem da reacção por arrefecimento com água, que é pulverizada na área a jusante da câmara de reacção por meio de um bocal de arrefecimento. A temperatura dos gases de combustão é habitualmente ajustada para um valor entre 1200 e 1900 °C. Quanto mais alta a temperatura, menores são os agregados de fumo formados. O tempo de residência influencia igualmente a distribuição de tamanho dos agregados. Em reactores de negro de fumo conhecidos, ele é ajustável entre 1 ms e 1 s pela velocidade do caudal e posicionamento do bocal de arrefecimento. 0 processo de produção indicado para negro de fumo é conhecido a partir de Ullmanns Enzyklopádie der technischen Chemie 4, edição volume 4, página 633 - (1977) e a partir de Carbon Black, Science and Technology, editora Mareei Dekker, Inc., Nova Iorque 1993. O processo conhecido apresenta a desvantagem de as intensidades de cor dos negros de fumo de fornalha apenas puderem ser mantidas através de tratamentos subsequentes dispendiosos, fora do reactor de fornalha. É objectivo da presente invenção disponibilizar um processo em que as intensidades de cor dos negros de fumo de fornalha possam ser produzidas directamente no reactor de fornalha. 3 0 objecto da invenção é um processo para a produção de negro de fumo de fornalha por produção de um caudal de gases de combustão quentes numa câmara de combustão, condução dos gases de combustão quentes ao longo de um eixo de caudal a partir da câmara de combustão através de um local de estreitamento no reactor para uma zona de reacção, mistura da matéria-prima de negro de fumo no caudal dos gases de combustão antes, no interior ou depois do local de estreitamento do reactor , e paragem da formação de negro de fumo a jusante na zona de reacção por pulverização de água, que é caracterizado por injectar-se vapor de água axialmente através do queimador de gás e eventualmente nas tubuladuras de óleo radiais, e por introduzir-se negro de fumo em grânulos antes e/ou depois do local de estreitamento do reactor. A temperatura da câmara de combustão pode perfazer 1000 ° até 2000 °C, de um modo preferido 1000 0 até 1700 °C. O queimador de gás pode estar disposto axialmente. 0 número de tubuladuras de óleo radiais em que é introduzido vapor de água pode perfazer 1 até 8, de um modo preferido 2 até 4, de um modo preferido em particular 4. 0 vapor de água injectado nas tubuladuras de óleo radiais pode conter compostos de potássio ou sódio, por exemplo carbonato de potássio ou de sódio. Os compostos de potássio ou sódio podem ser utilizados para o ajuste da estrutura do negro de fumo. A quantidade total de vapor de água pode perfazer 100 kg/h até 10 t/h, de um modo preferido 1 t/h até 6 t/h. A quantidade de potássio ou de sódio pode perfazer 0 até 50 kg/h, de um modo preferido 0 até 15 kg/h.
Como negro de fumo em grânulos pode ser utilizado qualquer negro de fumo conhecido, como por exemplo negro de fumo de fornalha, negro de fumo de gás, negro de fumo de canal, negro de 4 fumo de chama, negro de fumo térmico, negro de fumo de acetileno, negro de fumo de plasma, negros de fumo de inversão, conhecidos do documento DE 19521565, negros de fumo contendo Si, conhecidos dos documentos WO 98/45361 ou DE 19613796, ou negros de fumo contendo metais, conhecidos do documento WO 98/42778, negro de fumo de arco e negros de fumo que são subprodutos de processos de produção químicos. Como negro de fumo em grânulos também pode ser utilizado negro de fumo off-spec (negro de fumo de resíduos). 0 negro de fumo em grânulos pode ser introduzido com um meio de suporte. Como meio de suporte pode utilizar-se ar, azoto, gás natural, gás residual ou outros componentes gasosos. 0 vapor de água nas tubuladuras de óleo radiais pode ser injectado por bocais de pulverização ou injecção, radialmente para o interior, no caudal dos gases de combustão. 0 vapor de água que é injectado axialmente pelo queimador de gás pode ser misturado nos gases de combustão por meio de uma lança axial em cuja cabeça se encontram os bocais de pulverização ou de injecção.
Como bocais de pulverização ou de injecção podem ser utilizados quer bocais para um material como também para dois materiais, em que no caso de bocais para dois materiais, a par de vapor de água, ainda podem chegar à utilização vapor de água com compostos de potássio ou de sódio.
No caso do processo de acordo com a invenção obtém-se um negro de fumo de fornalha de pigmento de cor intensa ou um negro 5 de fumo condutor. No caso do tratamento térmico ou químico de negro de fumo de fornalha produz-se um gás combustível. A figura 1 mostra uma forma de realização e pormenores do reactor de negro de fumo de fornalha utilizado de acordo com a invenção. A figura 1 mostra um corte da secção transversal de um reactor de negro de fumo de fornalha com lança de gás axial. Está representada a câmara (1) de combustão, o local (2) de estreitamento do reactor e a zona (3) de reacção. No queimador (5) de gás natural encontra-se uma lança (4) axial através da qual é injectado vapor de água. 0 ar de combustão é alimentado através da abertura (6) axial. Através das tubuladuras (7) de óleo radiais pode ser alimentado vapor de água adicional. A interrupção da reacção efectua-se por pulverização de água através dos bocais (8) de água de arrefecimento. 0 negro (9) de fumo em grânulos é introduzido com ou sem meio de suporte antes (A) ou depois (B ou C) do local de estreitamento.
Exemplo:
Num reactor de negro de fumo de fornalha de acordo com a figura 1 é produzido um negro de fumo com os parâmetros de reactor da tabela 1. 6
Tabela 1
Ar de combustão [Nm3/h] 3000 Gás natural [Nm3/h] 250 Quantidade total de vapor de água [kg/h] 3000 Carbonato de potássio [kg/h] 8 Temperatura da câmara de combustão [°C] 1500 - 1600 Injecção de negro de fumo [kg/h] 850 Posição da introdução de negro de fumo pelos bocais (antes do local de estreitamento) [mm] 320 Temperatura após o local de estreitamento [°C] 1400 - 1450 Injector de ar [Nm3/h] 200 Temperatura no fim do reactor [°C] 700 0 negro de fumo obtido tem as propriedades de negro de fumo contidas na tabela 2.
Tabela 2 Número de iodo [mg/g] DIN 53582 814 Superfície BET [m3/g] ASTM D-4820 749 Superfície CTAB [m2/g] ASTM D-3765 371 DBT [mL/100 g] DIN 53601 235 Valor de pH [-] DIN EN ISO 787/9 6,2 Necessidade de óleo [g/100 g] DIN EN ISO 787/5 690 Valor My [-] DIN 55979 263 Tinta [%] DIN EN ISO 787/16 120
Os negros de fumo produzidos com o processo de acordo com a invenção têm uma superfície elevada, elevada força de cor (tinta) e uma elevada intensidade de cor (valor My).
Lisboa, 10 de Fevereiro de 2012 7
Claims (5)
- REIVINDICAÇÕES 1. Processo para a produção de negro de fumo de fornalha por produção de um caudal de gases de combustão quentes numa câmara de combustão, condução dos gases de combustão quentes ao longo de um eixo de caudal a partir da câmara de combustão através de um local de estreitamento do reactor para uma zona de reacção, mistura da matéria-prima de negro de fumo no caudal dos gases de combustão antes, no interior ou depois do local de estreitamento do reactor, e paragem da formação de negro de fumo a jusante na zona de reacção por pulverização de água, caracterizado por injectar-se vapor de água axialmente através do queimador de gás e eventualmente nas tubuladuras de óleo radiais, e por introduzir-se negro de fumo em grânulos antes e/ou depois do local de estreitamento do reactor.
- 2. Processo para a produção de negro de fumo de fornalha de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o número das tubuladuras de óleo radiais nas quais é introduzido vapor de água ser de 1 até 8.
- 3. Processo para a produção de negro de fumo de fornalha de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o vapor de água injectado nas tubuladuras de óleo radiais conter compostos de potássio ou sódio.
- 4. Processo para a produção de negro de fumo de fornalha de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se introduzir o negro de fumo em grânulos com um meio de suporte. 1
- 5. Processo para a produção de negro de fumo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por ar, azoto, gás natural, gás residual ou outros gasosos como meio de suporte. Lisboa, 10 de Fevereiro de 2012 fornalha de se utilizar componentes 2
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