一种裂解炉及裂解系统的制作方法

本申请涉及碳材料领域，具体而言，涉及一种裂解炉及裂解系统。

背景技术：

炭黑是一种具有大表面积、高导电率的材料。为了获得炭黑可以采用如乙炔裂解方式进行制备。因此，提供一种能够控制炭黑产品质量的设备是有必要的。

技术实现要素：

本申请示例中提供了一种裂解炉及裂解系统，以部分或全部地改善、甚至解决制作炭黑时不易控制品质的问题。

本申请是这样实现的：

在本申请的第一方面，示例中提供了一种裂解炉。

裂解炉包括反应炉、冷却炉、控温通道以及负压发生器。

其中，反应炉由第一炉壁构成，且第一炉壁限定反应腔。

其中，冷却炉由第二炉壁构成，且第二炉壁限定冷却腔。第一炉壁与第二炉壁可拆卸连接并使反应腔和冷却腔连通；

其中，控温通道设置于第二炉壁内。控温通道被构造来容纳换热介质以控制冷却炉的冷却腔的温度。

其中，负压发生器被构造来可选地在冷却炉的冷却腔内产生具有期望值且能被调节的负压。

以上述及的裂解炉中的反应炉和冷却炉可拆卸连接，因此，针对不同的裂解反应可按需更换反应炉，从而使在裂解炉中发生的裂解反应更具有针对性，并满足既定的要求。而控温通道的布置则能够使裂解产物能够在更适应的温度下进行“后反应”。负压发生器则能够通过在冷却炉内产生负压，从而使反应炉内反应物料脱离而进入到冷却炉，从而对物料在反应炉内的反应时间进行控制。结合负压发生器和控温通道能够实现对裂解反应过程相对更充分地控制。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第一种可能的实施方式中，反应炉具有多个，全部反应炉的反应腔分别为柱状结构，且每个反应腔具有在横向的第一尺寸、在纵向的第二尺寸以及由第一尺寸和第二尺寸的比值确定的长径比，各个反应炉的反应腔的长径比不同。

反应炉有多个且长径比不同，因此，对于同样量的反应原料而言，仅考查其在反应炉内的时间也是不同的。基于此，根据使用者的不同要求，不同的类型的反应炉能够被选择性地使用，以满足要求的反应条件。

结合第一方面或第一方面的第一种可能的实施方式，在本申请的第一方面的第二种可能的实施方式中，全部反应炉的反应腔的第一尺寸相同、第二尺寸不同。

可选地，全部反应炉中的各反应炉的反应腔容积是不同的。

不同反应炉被设置为一个相同尺寸，而另一个尺寸不同，因此，反应炉能够通过在具有不同相同尺寸的部位进行连接，以便反应炉的更换和维护。

结合第一方面，在本申请的第一方面的第三种可能的实施方式中，冷却炉定义有延伸方向，控温通道在延伸方向遍及第二炉壁。

控温通道的布置方式不同会影响到其对控温效果，因此，当控温通道延及第二炉壁的全部的如长度区域时，能够对冷却炉的大部分区域进行控温。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，在本申请的第一方面的第四种可能的实施方式中，第二炉壁具有沿延伸方向分布的第一端和第二端，第一端比第二端靠近反应炉，控温通道在第一端的换热面积大于在第二端的换热面积。

控温通道的换热面积的大小对于换热效果起到影响。例如在同等降温条件下，换热面积大的控温通道起到的降温效果常常表面更突出。因此，考虑到，第二炉壁的第一端邻近反应炉，而第二炉壁的第二端远离反应炉，因此，对第一端实施相对更有利的控温，而对第二端采取相对更缓和的控温可在一些情况达到特定的控温要求。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，在本申请的第一方面的第五种可能的实施方式中，控温通道在第一端的覆盖面积大于在第二端的覆盖面积。

通过调整控温通道的覆盖面积实现以上的对冷却炉的不同控温要求是容易实施和方便调整的，因此，这样的方式对裂解炉的结构复杂度和维护难度起到了有效的改善作用。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，在本申请的第一方面的第六种可能的实施方式中，控温通道以螺旋形结构盘绕于第二炉壁，且在第一端的绕制密度大于在第二端的绕制密度。

控温通道螺旋形盘绕设置有利于高效、快速地实施控温通道的布置，从而缩短裂解炉的制造周期，有利于提高良品率。

结合第一方面或第一方面的第一种或第三种或第四种或第五种或第六中可能的实施方式，在本申请的第一方面的第七种可能的实施方式中，裂解炉定义有高度方向，裂解炉包括温度检测器，温度检测器具有连接于第二炉壁的多个测温头，该多个测温头沿高度方向间隔地布置。

温度检测器具有多个测温头，由此可以提高多个测温点位，并且通过间隔布置，使冷却炉在整个冷却区域的温度能被真实地反映。该被真实反映的温度能够被用于实现对控温通道内换热流体的准确控制。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，在本申请的第一方面的第八种可能的实施方式例中，负压发生器产生的负压的压力值能够被调整。

负压发生器的压力值能够调整，则其产生的负压对反应炉内的反应原料及反应产物的造成的抽吸也相应能够进行调整，从而实现对如反应原料的反应时间的更多级调节。

在本申请的第二方面，示例中提供了一种裂解系统。该裂解系统包括换热器、前述的裂解炉，并且换热器与控温通道连通，以使换热器能够接纳由控温通道输出的换热介质并进行热能储存。

基于前述的裂解炉，裂解反应的进程被控制，并因此对反应产物起到调整作用。另外，换热器的使用可利用裂解炉的反应预热，提高能耗比。

在上述实现过程方案中，本申请实施例提供的裂解炉主要包括反应炉和冷却炉。其中，反应炉提供原料的反应(裂解)的主要场合，而冷却炉则可用以对反应产物进行适当的控温如冷却，以便后续的处理。由于采用反应炉和冷却炉的可拆卸连接涉及，则可以在不改变冷却炉的情况下，按照要求更换不同规格的反应炉，从而以更小的成本对裂解炉改造。也基于此，根据不同规格的反应炉可对原料的反应时间进行调节。进一步地，负压发生器形成的负压能够起到抽吸作用，从而引导反应原料及反应产物运动，从而控制其在反应炉内的停留时间，进而也实现了反应时间的调控。另外，在裂解炉的冷却炉设置控温通道，可以对例如反应产物温度起到控制，避免采取降温操作时的骤冷对裂解产物的影响，也能够进行适当的散热。如此，通过对反应原料的反应时间和产物的控温时间、温度进行配合选择，起到对裂解得到的产物如炭黑的品质的准确控制，从而提高所获得的产品的品质。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的第一种裂解炉的结构示意图；

图2示出了图1的裂解炉中的螺旋管的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的第二种裂解炉的结构示意图；

图4示出了图3的裂解炉中冷却炉的结构示意图。

图标：100a-裂解炉；101a-反应炉；102a-冷却炉；1011a-反应腔；1022a-冷却腔；100b-裂解炉；101b-反应炉；102b-冷却炉；1011b-反应腔；1022b-冷却腔；200-螺旋管。

具体实施方式

通过实际的生产和研究，发明人认识到乙炔炭黑性能的变化和乙炔气裂解过程中在反应区的停留时间和裂解温度等有相当程度的相关性。例如，如果需要高结构炭黑就需要延长炭黑在裂解反应区的停留时间，反之则减少反应时间。乙炔炭黑生产的关键设备是乙炔裂解炉。而在实践中，不改变总体生产工艺的前提下，调整裂解炉长径比是最直观和有效控制炭黑的办法。

由于炭黑需求量的差异性，很多产品并不适合一定的专线生产。究其原因，裂解炉本身较重，更换一次需要消耗大量的人工和时间成本。若更换裂解炉后，生产的产品达不到预期产量，导致非期望的情况发生。

有鉴于此，提供一种能够对乙炔生产炭黑具有理想的品质控制的生产设备如裂解炉具有积极的现实意义。在本申请示例中基于这样的需求，发明人提出了一种裂解炉及裂解系统。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

参阅附图，本申请示例中的裂解炉能够从这些附图中得到支持，并且在下述的描述被更清楚的阐明。

如图1所示，本实施例提供的裂解炉100a包括反应炉101a、冷却炉102a、控温通道以及负压发生器。大体上而言，裂解炉100a的反应炉101a提供反应区，冷却炉102a提供冷却区且由配合的控温通道提供冷却效果。从结构上而言，反应区和冷却区进行分离，整体设备为分体设备。裂解炉100a的固定安装结构、后置工序联接部分可保留在冷却区，乙炔气入炉喷嘴和参数采集保留在反应区。两个区域使用如法兰或轴孔配合等方式联接(实现可拆卸连接)，石棉垫片密封。平时进行生产调整时，冷却区部件无需拆卸。只需要打开法兰螺母，更换反应区部位，就可以实现变更。

第一部分，反应炉101a。

其中，反应炉101a由第一炉壁构成。第一炉壁例如采用金属或者其他非金属材料制作而成。第一炉壁限定反应腔1011a从而作为反应区。反应炉101a的外部根据不同的需求，设置不同的构件例如原料输送嘴。输送嘴与第一炉壁采用如焊接连接且具有与反应腔1011a连通的管腔。

反应炉101a的形状在不同示例中能够具有的不同的形状涉及。这里所提及的形状主要是外轮廓，例如为柱状，可列举出圆柱体或棱柱体。反应炉101a的反应腔1011a形状按需涉及，并无特别的限定，例如与反应炉101a的外轮廓相同的圆柱体或棱柱体。此外，由于反应炉101a为乙炔裂解反应设备，而裂解反应通常是高温反应，因此，为了避免对第一炉壁的热冲击和损害，第一炉壁的内表面用耐火材料(如耐火碳砖)进行内衬，以便于稳定反应区温度。耐火内衬的设置使反应炉101a的隔热性能好、炉温均匀，产品(如炭黑)性能就会趋于稳定。

由于乙炔在反应腔1011a内的反应时间与其停留时间相关，因此，在一种示例中通过控制反应腔1011a的规格能调控停留时间。为了更清楚地说明反应腔1011a的规格，作为一种示例，反应腔1011a的规格由反应腔1011a的容积确定。

在另一些示例中，反应腔1011a的规格通过下述方式限定进行确定：限定反应腔1011a具有在横向的第一尺寸、在纵向的第二尺寸，并且因此还具有由第一尺寸和第二尺寸的比值确定的长径比。在这样的示例中，对于一个确定的反应炉101a而言，其反应腔1011a的规格也是确定的，因此，基于调整乙炔的停留时间考虑，裂解炉100a提供多种规格的反应炉101a，各个反应炉101a的反应腔1011a的长径比不同。如此，在相同的原料输送方式(如流量、速度等)和反应条件(如温度)情况下，不同规格的反应炉101a对应于不同的乙炔停留时间。使用者据此可选择不同规格反应炉101a使用。

另外，基于这些具有第一尺寸和第二尺寸的反应炉101a的示例而言，考察裂解炉100a的调整和维护的便利性，对于不同的反应炉101a，其反应腔1011a的第一尺寸相同、第二尺寸不同。如此，反应炉101a更换时，其与冷却炉102a的连接方式和结构并不必需改变，从而提高设备的适用性、使用便利性。

基于以上，通过更换裂解炉100a中的反应炉101a，进而调整乙炔裂解的反应时间，可以生产出针对性较强的乙炔炭黑产品。如：增加反应炉101a的长径比可以延长乙炔炭黑成核时间，增加乙炔炭黑结构丰富程度，提高吸附性能。减少反应炉101a的长径比，加大物料输送力度可以减少炭黑在反应区的停留时间，减少结构丰富程度，降低吸附性能。

为了促使进行裂解，部分示例中，反应炉可配备高能设备，以提高促使乙炔裂解的热能，例如微波装置或电阻丝加热装置或电磁感应加热设备等等。各种设备可有发明人已知的手段实现。

第二部分，冷却炉102a。

其中，冷却炉102a由第二炉壁构成，且第二炉壁限定冷却腔1022a。在一些示例中，第二炉壁采用与第一炉壁相同或相似(当然也可不同)的材料制作而成。

对于冷却炉102a的形状而言，示例中并无特别的限定。按照设计要求进行规划即可。例如冷却炉102a为圆柱形或棱柱形或者锥形等等。在此处，冷却炉102a的形状主要是指其外表面轮廓的形状。本申请示例中，反应炉101a和冷却炉102a的外形轮廓均可以各自独立地按需设计，不需要被特别地限制。冷却炉102a的内壁以及由其限定的结构，如冷却腔1022a形状也可有如圆柱形、棱柱形或锥形的结构设计。示例中，冷却炉102a的外形与冷却腔1022a的形状相似，均呈锥形结构，且为倒锥形。即在裂解炉100a的通常使用形状和方式下，相对于底面(或水平面)，冷却炉102a的上部大而下部小，对应于此示例，反应炉101a的整体呈等大。对于冷却腔1022a呈倒锥形的示例，冷却腔1022a能够至少起到汇聚炭黑，方便进行收集的作用。

由于乙炔在反应炉101a内裂解，而在冷却炉102a内降温，因此，第一炉壁与第二炉壁连接并使反应腔1011a和冷却腔1022a连通。对于前述倒锥形的方案，乙炔裂解反应后的产物进入到冷却腔1022a内。进入冷却腔1022a的过程中，裂解产物先通过大截面区域，在一定程度起到膨大，然后随着向小截面区域汇聚(在重力或者外在的引流动力作用下实现)而逐渐收缩。

第三部分，控温通道。

对于冷却的需要，裂解炉100a具有控温通道。该控温通道设置于第二炉壁内，且控温通道被构造来容纳换热介质以控制冷却炉102a的冷却腔1022a的温度。由此，可以理解，在一个或一些示例中控温通道作为夹层位于第二炉壁内。或者，控温通道被包埋于第二炉壁内。部分示例中，控温通道是封闭的管道系统，且内部贮藏换热介质。在其他的一些示例中，控温通道是开放的管道系统，因此，其具有介质入口和介质出口；或者，其具有一个介质出入口。如此，换热介质能够通过泵送设备，如气泵、水泵等等输入到控温通道内。进一步地，控温通道内也可以持续地以流动的方式被注入换热介质，如此能够快速和持续地高效控温。其中，对于进行控温的方案，控温通道内的换热介质例如是水、空气，或者其他的液体如烷基联苯型导热油。冷却区如用水冷夹套进行散热(散热效率高，成本小)，便于散热。

一些示例中，控温通道通过在冷却炉102a的第二炉壁(整体实心的)中去除部分材料而制作而成。另一些示例中，控温通道是管道，其埋设在第二炉壁内。在控温通道以管道的形式实现的示例中，第二炉壁的隔热内衬具有内层衬体和外层衬体，控温通道被夹持在内层衬体和外层衬体之间。

控温通道在不同的示例中具有不同的实现方式，并且能够被根据要求对应地设计并实施。例如，控温通道实现的方式例如有如下一些因素可以进行深入的考察。示例性地，控温通道以中空的管道的形式实现，则管道的数量、管径、形状、排列或布局方式等等。当控温通道为单个中空圆管时，考察其直径、长度、弯曲形状等。

对于控温通道布局方式，在一种示例中具有下述实现方案。冷却炉102a定义有延伸方向，控温通道在延伸方向遍及第二炉壁。例如，当冷却炉102a的圆柱形结构时，该延伸方向则为圆柱形的高度方向。因此，控温通道至少覆盖圆柱形的高度范围内的区域。可替代地，当圆柱形为底面直径2米，高度5米的规格时，控温通道(直管)长度为5米。

另一些示例中，为了阐述控温通道的布置方式，限定第二炉壁具有沿延伸方向分布的第一端和第二端，且第一端比第二端靠近反应炉101a。基于此，控温通道在第一端的换热面积大于在第二端的换热面积。例如，对于圆柱形的冷却炉102a，控温通道为管径渐变的中空管体。控温通道在位于第一端的部分直径大(如30厘米)，在位于第二端的部分直径小(如20厘米)。在这样的示例中，通常地，控温通道在第一端的覆盖面积大于在第二端的覆盖面积。或者，虽然控温通道的覆盖面积在第一端小于第二端，但是，控温通道的中空管腔(换热介质输送，或者，暂时或永久贮藏换热介质的通路)构成的换热面积在第一端大于第二端。

以上示例中，主要是以主管形式的控温通道为例进行说明。在另一些示例中，控温通道被选择以弯管(如螺旋管200，如图2所示)实施。如此，控温通道以螺旋形结构盘绕于第二炉壁，即控温通道为螺旋管200。且在第一端的绕制密度大于在第二端的绕制密度。

进一步地，作为其他实例，对控温方案进行调整，例如，提供设备与控温通道配合。示例中，提供一种温度检测器与控温通道配合。温度检测器对冷却炉102a的冷却腔1022a的温度进行检测。使用者根据温度检测器获得冷却腔1022a的温度，对控温通道内的换热介质输送方式进行个性化的调节。例如，温度检测器检测到的温度相对较高，则控温通道内的换热介质输送或更新相对较快。如果温度检测器检测到的温度相对较低，则控温通道内的换热介质输送或更新相对较慢。

在这样的示例，温度检测器获得温度更准确地反应冷却腔1022a内的温度，则将有利于温度控制。因此，例如对温度检测器进行如下调整：温度检测器具有连接于第二炉壁的多个测温头(如热电偶、温度传感器等)。并且，基于裂解炉100a定义有高度方向的情形，全部的测温头沿高度方向间隔地布置。通过综合各个测温头的温度数据，以便获得更准确的温度数据。

另外，部分示例中，当冷却腔1022a较大的情况，其各个部分的温度可能具有较大的差异，因此，可对各个主要的温度区域(如三个温度区间)进行针对性的温度调节。由此，控温通道也对应设置三个管道，三个管道与三个温度区间一一对应，且每个管道被分别控制以实现独立地输送换热介质。

以上主要是针对控温通道作为冷却使用的情形，在另一些情况下可以对换热介质的温度进行调节，以实现加热的作用。

由此，根据另需要冷却或加热，可以缩小冷却区和反应区的温差，缓解裂解温度骤降对乙炔炭黑成链的影响。

第四部分，负压发生器。

负压发生器被构造来可选地在冷却炉102a的冷却腔1022a内产生具有期望值且能被调节的负压。负压发生器被选择为发明人知晓的负压设备，当然，为了应用于裂解炉100a可能需要进行适当的调整和改变。例如，一种示例中，负压发生器通常包括一个负压泵、管道、气嘴。管道的两端分别与负压泵的进气口、气嘴连接，并构成气体流通的通路。

显然地，为了从冷却腔1022a内抽出气体，冷却腔1022a的第二炉壁设置有排气管，且排气管的管腔与冷却炉102a的冷却腔1022a联通。或者，作为另一种实现方案，负压发生器为引风机，通过将冷却腔1022a内的空气快速地导出，形成由反应腔1011a向冷却腔1022a流动的气流或者压差(反应腔1011a压力相对更大，冷却腔1022a压力相对更小)。当然，为了使负压发生器工作，一种示例中对其配备电源。电源如是电池或市电接线器。

对于具有多种负压状态要求的用户，则负压发生器产生的负压的压力值能够被调整。例如，负压发生器为引风机，且引风机具有多个档位，在不同的档位下具有不同的转速，从而提高不同的抽风速度或流量。另外，基于方便调节的需要，引风机例如通过红外线或蓝牙或WIFI设备进行远程控制。

基于上述裂解炉100a，示例中还能够给出一种裂解系统。裂解系统包括换热器、裂解炉100a。换热器与裂解炉100a采取这样的配合方式，即换热器与控温通道连通，以使换热器能够接纳由控温通道输出的换热介质并进行热能储存。换热器能够将裂解炉100a产生的余热进行收集，实现资源的充分利用。当裂解炉100a具有多个时，回收利用其热能有利于改善能耗和降低成本。

以上示例中以裂解炉100a为例进行说明，在另一些示例中，作为一种规格的实施方案从如图3至图4中得到支持。即裂解炉100b包括反应炉101b和冷却炉102b，且两者通过法兰连接。反应炉101b具有反应腔1011b，冷却炉102b具有冷却腔1022b。

另外，应当指出的是，虽然示例中以乙炔制备炭黑为例说了裂解炉。但是，本申请示例中提出的裂解炉也可以作为其他裂解反应使用，例如，橡胶轮胎的裂解，或甲烷裂解等等。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。