專利名稱：常溫等離子體轉(zhuǎn)化乙炔制碳黑的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種常溫等離子體轉(zhuǎn)化乙炔制碳黑的方法。
炭黑的世界總產(chǎn)量是每年600萬(wàn)噸。大多數(shù)都被用于橡膠工業(yè)作為補(bǔ)強(qiáng)填充劑?，F(xiàn)代橡膠輪胎包含大約30％(質(zhì)量分率)的炭黑。很多種不同的等級(jí)已經(jīng)被國(guó)際ASTH分類列出，每一個(gè)等級(jí)都代表一個(gè)非常詳細(xì)的應(yīng)用。雖然過(guò)去已經(jīng)存在幾種處理過(guò)程，但是當(dāng)今最普遍的(世界總產(chǎn)量的80％)仍然是熔爐處理。這個(gè)方法是基于碳?xì)浠衔顲nHm不完全燃燒，進(jìn)料的一部分被燃燒用來(lái)供給另一部分裂解所需要的能量。一個(gè)典型的熔爐黑反應(yīng)器在附圖2中給出。每1噸原料能產(chǎn)生炭黑0.35噸(其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?。其價(jià)格也隨質(zhì)量不同每噸在1000～4000美元之間不等。
法國(guó)學(xué)者在L.Fulcheri，Y.Schwob，and G.Flamant，J.Phys.IIIFrance，7，491(1997)和L.Fulcheri，Y.Schwob，Int.J.Intern.Hydrogen，20，197(195)報(bào)道中已經(jīng)提出運(yùn)用等離子體源進(jìn)行碳?xì)浠衔锪呀庵圃焯亢凇＿@一方法作為同時(shí)生產(chǎn)氫氣和炭黑又無(wú)二氧化碳釋放是先進(jìn)的好的解決方案，如附圖3。
對(duì)于一個(gè)具體的已存在的熱反應(yīng)，乙炔黑反應(yīng)是乙炔高放熱分解反應(yīng)的結(jié)果能在等離子體條件下重現(xiàn)，理論上能生產(chǎn)結(jié)構(gòu)化碳而只放出微量的氫氣。
我們假設(shè)現(xiàn)代等離子體弧光放電設(shè)備的電熱效率為80％，我們能夠估算裂解反應(yīng)所需的電能是在每千克碳產(chǎn)品4～7千瓦時(shí)或者是每立方米氫氣(標(biāo)況)需1～1.9千瓦時(shí)。以下對(duì)熔爐反應(yīng)和等離子體過(guò)程的比較。因?yàn)樘亢诘牡燃?jí)范圍很廣，所以我們的比較僅限于關(guān)注一個(gè)已定義好的產(chǎn)品，其工業(yè)名為超級(jí)摩擦熔爐黑(SAF)，這個(gè)等級(jí)代表了一種一般的結(jié)構(gòu)黑，基本上秀作補(bǔ)強(qiáng)填充劑以提高摩擦性能。
平均的商品價(jià)格在每噸1000～1400美元之間。生產(chǎn)這種產(chǎn)品的溫度大約是1600℃，所以根據(jù)上面的定義理論上估計(jì)每噸碳產(chǎn)品需耗能5000千瓦時(shí)。我們?cè)诟綀D4中給出了兩種方法的輸入/輸出物質(zhì)與能量平衡圖(以1噸產(chǎn)品計(jì))。在這里我們給出了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)上的兩個(gè)過(guò)程(熔爐和等離子體新法)的聯(lián)系比較(表1-2)。這一比較來(lái)自下面的數(shù)據(jù)(表1-1)。表1-1數(shù)據(jù)表
對(duì)于n年攤還每年攤還率t，包括了水源、電能、維護(hù)費(fèi)的電C=440×50000.68×8760×(t×(1+t)n(1+t)n-1+0.02)]]>力建設(shè)費(fèi)C表示如下(以1噸產(chǎn)品計(jì))若n＝5，t＝10則C＝97美元這樣，對(duì)于一個(gè)應(yīng)用率為0.68的100000噸的年生產(chǎn)能力，一套等離子黑電力裝備應(yīng)為83兆瓦。表1-2 熔爐法和等離子體新方法的比較以一噸產(chǎn)品價(jià)格計(jì)
本發(fā)明的目的是在常溫常壓下，利用電暈放電使乙炔轉(zhuǎn)化為碳黑，同時(shí)降低熱能消耗，降低成本，實(shí)現(xiàn)清潔工藝保護(hù)環(huán)境。
本發(fā)明是一種在常溫常壓下，反應(yīng)器內(nèi)的一個(gè)高壓電極和一個(gè)接地電極組成的兩個(gè)非對(duì)稱金屬電極之間通直流脈沖電壓，形成電暈放電等離子體，在該區(qū)內(nèi)把乙炔轉(zhuǎn)化為碳黑，反應(yīng)步驟如下①先向反應(yīng)器中通入惰性氣體，10分鐘后停止，②通入乙炔，③在高壓電極逐漸加直流脈沖電壓和頻率，④反應(yīng)區(qū)內(nèi)開(kāi)始生成固相產(chǎn)物，⑤降低電壓和頻率至零，取出固相產(chǎn)物即為碳黑；所述的反應(yīng)器為圓筒型石英管且其兩端插有電極并予以密封，兩個(gè)電極之間形成電暈放電區(qū)，其中高壓電極的端部為尖端，接地電極的端部為平臺(tái)狀，電極均由2～30mm的等徑的黃銅棒制得，其中高壓電極尖端直徑為0.1～3mm，接地電極的平臺(tái)為圓形，直徑為4～15mm，平臺(tái)厚度為1～4mm，兩電極之間的距離為15～700mm，該反應(yīng)器內(nèi)經(jīng)為7～18mm，長(zhǎng)度為400～1600mm；所述的直流脈沖電壓為5000～12000V，頻率為40～60HZ；所述的乙炔流量為10～30ml/min，所述的惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣。
本發(fā)明在常溫常壓下，利用直流脈沖電源產(chǎn)生電暈放電等離子體，把乙炔和氫氣混合物轉(zhuǎn)化為碳黑，并副產(chǎn)氫氣，本發(fā)明節(jié)省熱能、降低產(chǎn)品的成本消耗，同時(shí)工藝潔凈不造成環(huán)境污染。
本發(fā)明的附

圖1為反應(yīng)器的示意圖。
標(biāo)號(hào)1為下封蓋，標(biāo)號(hào)2為出氣嘴，標(biāo)號(hào)3為接地電極，標(biāo)號(hào)4為接地電極平臺(tái)，標(biāo)號(hào)5為反應(yīng)器石英管，標(biāo)號(hào)6為高壓電極，標(biāo)號(hào)7為進(jìn)氣嘴，標(biāo)號(hào)8為上封蓋，標(biāo)號(hào)9為固相產(chǎn)物，標(biāo)號(hào)10為直流脈沖電壓發(fā)生器。
實(shí)施例1反應(yīng)器內(nèi)徑為10mm，長(zhǎng)度為700mm，兩電極采用直徑為4mm的等徑黃銅棒制得，其中高壓電極的尖端直徑為1mm，接地電極平臺(tái)端直徑為6mm，高壓電極的尖端和接地電極平臺(tái)端之間的距離為400mm，按下列步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)①通入流量為24ml/min的氬氣，10分鐘后停止通氬氣，②通入流量為25ml/min的乙炔氣，③在高壓電極上加直流脈沖電壓8500V，頻率50HZ，④在兩電極之間產(chǎn)生黑色絲狀物質(zhì)，⑤降低電壓至零，降低頻率至零，用放電棒為高壓電極放電，⑥取出固相產(chǎn)物，有碳黑生成。
實(shí)施例2反應(yīng)器內(nèi)徑為18mm，長(zhǎng)度為1000mm，兩電極采用直徑為8mm的等徑黃銅棒制得，其中高壓電極的尖端直徑為2mm，接地電極平臺(tái)端直徑為10mm，高壓電極的尖端和接地電極平臺(tái)端之間的距離為600mm，按下列步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)①通入流量為20ml/min的氬氣，10分鐘后停止通氬氣，②通入流量為50ml/min的乙炔氣，③在高壓電極上加直流脈沖電壓10000V，頻率50HZ，④在兩電極之間產(chǎn)生黑色絲狀物質(zhì)，⑤降低電壓至零，降低頻率至零，用放電棒為高壓電極放電，⑥取出固相產(chǎn)物，有碳黑生成。
權(quán)利要求
1.一種常溫等離子體轉(zhuǎn)化乙炔制碳黑的方法，其特征在于在常溫常壓下，反應(yīng)器內(nèi)的一個(gè)高壓電極和一個(gè)接地電極組成的兩個(gè)非對(duì)稱金屬電極之間通直流脈沖電壓，形成電暈放電等離子體，在該區(qū)內(nèi)把乙炔轉(zhuǎn)化為碳黑，反應(yīng)步驟如下①先向反應(yīng)器中通入惰性氣體，10分鐘后停止，②通入乙炔，③在高壓電極逐漸加直流脈沖電壓和頻率，④反應(yīng)區(qū)內(nèi)開(kāi)始生成固相產(chǎn)物，⑤降低電壓和頻率至零，取出固相產(chǎn)物即為碳黑。
2.權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)器為圓筒型石英管且其兩端插有電極并予以密封，兩個(gè)電極之間形成電暈放電區(qū)，其中高壓電極的端部為尖端，接地電極的端部為平臺(tái)狀，電極均由2～30mm的等徑的黃銅棒制得，其中高壓電極尖端直徑為0.1～3mm，接地電極的平臺(tái)為圓形，直徑為4～15mm，平臺(tái)厚度為1～4mm，兩電極之間的距離為15～700mm，該反應(yīng)器內(nèi)徑為7～18mm，長(zhǎng)度為400～1600mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的常溫等離子體轉(zhuǎn)化乙炔制碳黑的方法，其特征在于直流脈沖電壓為5000～12000V，頻率為40～60HZ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫等離子體轉(zhuǎn)化乙炔制碳黑的方法，其特征在于乙炔流量為10～30ml/min，所述的惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣。
全文摘要
在常溫常壓下,通過(guò)等離子體技術(shù)將乙炔氣轉(zhuǎn)化為碳黑的方法,是通過(guò)在反應(yīng)器中兩非對(duì)稱電極之一上外加直流脈沖電源,在兩電極之間形成電暈放電等離子體,把乙炔轉(zhuǎn)化為碳黑,氣相產(chǎn)物為純氫氣。
文檔編號(hào)C09C1/54GK1359984SQ0013586
公開(kāi)日2002年7月24日 申請(qǐng)日期2000年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月22日
發(fā)明者張?jiān)缕? 劉昌俊, 張敏華, 楊桂芹 申請(qǐng)人:天津大學(xué)