专利名称：臭氧氧化炭黑的流化床反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于气固相加工反应器，特别涉及臭氧对超细炭黑氧化后处理的流化床反应器。
背景技术：
普通炭黑经氧化后处理得到的色素炭黑用途广泛，可用于印刷油墨、涂料、油漆等工业着色颜料，但将普通炭黑处理为色素炭黑的关键技术是表面氧化改性处理，这是因为通常生产的炭黑本身没有极性，而涂料、油漆和印刷油墨的基料通常有极性，在这些极性的基料介质中，非极性的普通炭黑很难均匀分散且流动性差，不仅影响颜料的黑度和亮度，也影响使用。为克服上述困难，普通炭黑必须进行表面氧化后处理，使非极性的表面变成局部极性表面，即提高炭黑的挥发份，使其表面含氧官能团增多，主要是羟基官能团增多，炭黑显酸性，这样炭黑易于分散且流动性好，从而使炭黑具有高的着色力和强的黑度、亮度。
目前国内外使用的氧化改性技术分为液相氧化、气相氧化及等离子氧化等三类。液相氧化使用如硝酸、高锰酸钾、次氯酸钠、溴水等作为氧化剂，技术较为成熟，一般要经过氧化、水洗、干燥等过程，产生较多的废酸及废水，污染严重，随着环保要求的提高，生产成本将日益升高，降低了产品的竞争力。因此，气相氧化工艺越来越受到人们的重视，气相氧化采用的氧化剂主要有臭氧、氧气、氮氧化物和二氧化碳等，其中臭氧氧化因氧化效率高、反应条件温和、绿色环保、成本低等优点，是炉法炭黑氧化改性生产常用方法。
流化床反应器因气固接触效率高、床层压降与颗粒粒径无关，是炭黑气相氧化处理的理想反应器，然而，由于炭黑粒度小，表面积大，颗粒间的粘性作用力大，通常难以实现均匀的流态化，流态化过程中极易产生沟流、节涌和聚团等现象，从而大大降低了气固接触效率，影响炭黑氧化效果。国内外已经对炭黑流化床氧化进行了不少研究，美国专利US 6471763介绍了臭氧氧化处理炭黑的方法，反应器为内径80mm、高1500mm的流化床，床层料面高度由传感器控制，气固相在流化床内逆流接触反应，在常温下经臭氧氧化处理后，炭黑的技术指标均与商业氧化炭黑接近。中国专利CN 98240426.3介绍了一种臭氧氧化炉法造粒炭黑的流化床反应器，该流化床反应器由3～7个垂直挡板将流化床分隔成4～8个流化室，使流化床流动为多级混合流。而对于非造粒的超细炭黑颗粒，由于颗粒细小而在流化床内易形成沟流，严重影响炭黑后处理的质量。美国专利US 4435377介绍了搅拌流化床内NO2氧化处理炭黑的方法，在这个方法中，反应器为内装多层构件的立式搅拌流化床，内构件在流化床顶部的电机带动下随轴旋转，气体经内构件上的气体分布器分散后与上层流下的炭黑接触，氧化后的炭黑从反应器下部排出，气体从床顶部经袋式过滤器放空，在110℃～150℃下，经NO2氧化2～6h后的炭黑与未经氧化处理的炭黑相比，明显表现在pH值降低、挥发份提高。此方法的缺点是，挡板转动需外加电机动力，且气体分布器安置在挡板上加工复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种在室温条件下，炭黑与臭氧能充分接触氧化，炭黑在流化床内停留时间较均匀且能进行批量生产的臭氧氧化炭黑的流化床反应器。
本发明的工作原理是在自下而上的气流作用下，通过挡板对超细炭黑聚团的撞击，大的聚团得以破碎或分裂，颗粒物料的进一步黏结得到控制；通过安装多层的内构件或挡板，可使得流化床中具有多个浓相段，采用逆流操作时，物料从反应器顶部逐级下流进行气固接触，从而可保持较长的停留时间；从上至下流动的炭黑物料，由于层与层之间的物料返混少，颗粒到达底部时具有较为均匀的停留时间分布。
本发明的技术方案是对包括床体和分布板的现有流化床反应器进行改进，在床体内的空管中有与床体连接且带有缝隙的挡板，其连接是挡板通过法兰或直接与床体固定连接，或挡板固定连接在一通过固定架与床体相连接的管柱上，在挡板上无动力驱动装置。
本发明的目的是这样实现的臭氧氧化炭黑的流化床反应器包括流化床反应器主体、水平挡板、气体分布板等；一流化床反应器主体，在流化床反应器主体的下部开有炭黑出料口，底部开有气体进口；在流化床反应器主体的上部开有炭黑进料口，顶部开有气体出口；在流化床反应器主体的里面安装有带有缝隙的挡板，在炭黑出料口的下方安装有气体分布板。
所述的流化床反应器主体的上部是一带有倒锥面的扩大段管体。
所述的炭黑进料口是开在扩大段下方的流化床反应器主体上。
所述的流化床反应器主体下部的形状是一圆台形状。
所述的挡板是由法兰固定在流化床反应器主体上。
所述的挡板被固定在流化床反应器主体中的一管柱上，管柱被固定在一固定架上，固定架固定在流化床反应器主体上。
所述的水平挡板间距与反应器内径比为1/5～2/1；气相为O3气体或空气稀释后的O3气体；温度为常温至120℃。
所述的挡板是一个以上。
本发明在工作时，炭黑由炭黑进料口加入到反应器中，炭黑产品由炭黑出料口排出，含有臭氧气体的空气由气体进口经气体分布板分散后进入流化床反应器，在多层挡板作用下与炭黑颗粒充分接触，带出的细小颗粒在扩大段中减速沉降，气体由气体出口排出。
本发明可以消除沟流和破碎聚团，气固接触效率高，颗粒物料返混少停留时间分布均匀，能实现稳定流态化；可用于超细炭黑及造粒炭黑的表面氧化处理。
本发明的气固逆流接触多层挡板臭氧氧化炭黑的流化床反应器，可有效消除超细颗粒流化时的沟流和节涌现象，阻止聚团长大并破碎聚团，气固接触效率高，具有稳定的流态化压降和平稳的流化状态，颗粒物料返混少停留时间分布均匀，能实现稳定流态化。可用于超细炭黑及造粒炭黑的表面氧化处理，通过对超细炭黑的氧化处理表明，氧化后的炭黑均可满足普通色素炭黑的国标规定。
本发明与现有技术相比有如下优点(1)加入合适的内构件(挡板)后，沟流消失，床层有一稳定的流态化压降；(2)在单个流化床内采用多层的内构件，既有效的利用了反应器的空间，节省了投资，又可保证物料在反应器内具有足够的停留时间，且时间容易控制。
(3)经过多层内构件的再分布作用，进、出反应器的炭黑物料具有了比较均匀的停留时间，使炭黑得到均匀氧化，从而提高了产品质量。
(4)有效的破碎了聚团并抑制了聚团的长大，平均聚团尺寸保持在从几十μm到几百μm左右。
(5)无需动力设备，操作简便，设备使用周期长，工艺易于放大。
图1.本发明的一种带有多层内构件(挡板)的流化床反应器纵剖示意图(法兰固定)。
图2.本发明的另一种带有多层内构件(挡板)的流化床反应器纵剖示意图(中心定位)。
附图标记1.流化床反应器主体 2.法兰 3.挡板4.炭黑出料口5.气体进口 6.气体分布板7.炭黑进料口8.扩大段9.气体出口10.管柱 11.固定架具体实施方式
下面以实施例进一步说明本发明的实验装置氧化处理炭黑的方法。
实施例1请参见图1。在一下部形状为圆台形状，上部带有倒锥面扩大段管体的流化床反应器主体1的下部开有炭黑出料口4，且炭黑进料口是开在扩大段下方；底部开有气体进口5；在流化床反应器主体1的上部开有炭黑进料口7，顶部开有气体出口9；在流化床反应器主体1的里面安装有带有缝隙的挡板3，在炭黑出料口4的下方安装有气体分布板6。
反应器高1500mm、内径100mm，含有多层内构件挡板的流化床，挡板间距100mm，挡板采用法兰2固定，流化气速为1.6m3/h，O3由空气源的臭氧发生器产生，产生量为20g/h，炭黑物料采用为天津海豚炭黑厂生产的炉法炭黑N220。实验发现，超细炭黑流化均匀，沟流和节涌的现象消失，床层压降稳定，床层下部可以连续稳定的流动排料。平均停留时间为90min时，生产出炭黑主要技术指标如表一所示表一 氧化前后炭黑性能对比
由表一数据对比表明，普通炉法炭黑经过臭氧氧化处理后的主要技术指标均满足国标所规定的普通色素炭黑F625的技术指标，特别是pH值显著降低，炭黑显酸性，有效地改善了炭黑表面基团的极性，氧化后的炭黑即为普通色素炭黑。
实施例2请参见图2，结构如实施例1，但挡板3采用中心固定。挡板3被固定在流化床反应器主体中的一管柱10上，管柱10被固定在一固定架11上，固定架11固定在流化床反应器主体上。
反应器高1500mm、内径100mm，含有多层内构件挡板的流化床，挡板间距30mm，流化气速为2.5m3/h，O3由空气源的臭氧发生器产生，产生量为20g/h，炭黑采用为天津海豚炭黑厂生产的炉法炭黑N219。实验发现，超细炭黑流化均匀，节涌与沟流的现象消失，床层压降稳定，床层下部可以连续稳定的流动排料。平均停留时间为100min时，生产出炭黑主要技术指标如表二所示表二 氧化前后炭黑性能对比
由表二数据对比表明，普通炉法炭黑经过臭氧氧化处理后的主要技术指标均满足国标所规定的普通色素炭黑F625的技术指标，特别是挥发份明显提高、pH值明显降低，可完全作为普通色素炭黑F625应用。
实施例3请参见图2，结构如实施例2。反应器高1500mm、内径100mm，含有多层内构件挡板的流化床内进行，挡板间距200mm，采用中心管柱固定，流化气速为1.6～3.0m3/h，O3由空气源的臭氧发生器产生，产生量为25g/h，炭黑采用天津海豚炭黑厂生产的炉法炭黑N234。实验发现，超细炭黑流化均匀，节涌和沟流的现象消失，床层压降稳定，床层下部可以连续稳定的流动排料。炭黑在流化床内的平均停留时间由流化气速和流化床中的炭黑持有量控制，不同停留时间下主要技术参数pH值及挥发份的变化如表三所示。
表三 氧化前后炭黑性能对比
由表三数据对比表明，随平均停留时间的延长，影响炭黑表面极性的pH值及挥发份均发生明显变化，即pH值降低、挥发份提高。由此可见，采用本发明专利的流化床反应器氧化处理炭黑，可实现连续进出料的批量生产，炭黑产品的pH值及挥发份均可通过炭黑物料在流化床内的平均停留时间来调节。
权利要求
1.一种臭氧氧化炭黑的流化床反应器，包括流化床反应器主体、水平挡板、气体分布板；其特征是一流化床反应器主体，在流化床反应器主体的下部开有炭黑出料口，底部开有气体进口；在流化床反应器主体的上部开有炭黑进料口，顶部开有气体出口；在流化床反应器主体的里面安装有带有缝隙的挡板，在炭黑出料口的下方安装有气体分布板。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征是所述的流化床反应器主体的上部是一带有倒锥面的扩大段管体。
3.根据权利要求2所述的反应器，其特征是所述的炭黑进料口是开在扩大段下方的流化床反应器主体上。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征是所述的流化床反应器主体下部的形状是一圆台形状。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征是所述的挡板是由法兰固定在流化床反应器主体上。
6.根据权利要求1所述的反应器，其特征是所述的挡板被固定在流化床反应器主体中的一管柱上，管柱被固定在一固定架上，固定架固定在流化床反应器主体上。
7.根据权利要求1、5或6所述的反应器，其特征是所述的挡板是一个以上。
8.根据权利要求7所述的反应器，其特征是所述的水平挡板间距与反应器内径比为1/5～2/1。
全文摘要
本发明属于气固相加工反应器，特别涉及臭氧对超细炭黑氧化后处理的流化床反应器。在流化床反应器主体的下部开有炭黑出料口，底部开有气体进口；在流化床反应器主体的上部开有炭黑进料口，顶部开有气体出口；在流化床反应器主体的里面安装有带有缝隙的挡板，在炭黑出料口的下方安装有气体分布板。本发明的气固逆流接触多层挡板臭氧氧化炭黑的流化床反应器，可有效消除超细颗粒流化时的沟流和节涌现象，阻止聚团长大并破碎聚团，气固接触效率高，颗粒物料返混少停留时间分布均匀，能实现稳定流态化；可用于超细炭黑及造粒炭黑的表面氧化处理，通过对超细炭黑的氧化处理表明，氧化后的炭黑均可满足普通色素炭黑的国标规定。
文档编号C09C1/56GK1958145SQ20051008679
公开日2007年5月9日 申请日期2005年11月4日 优先权日2005年11月4日
发明者朱庆山, 郝志刚, 李洪钟 申请人:中国科学院过程工程研究所