7.1. Giới thiệu chung
Phương pháp lò là phương pháp phổ biến nhất để sản xuất muội. Cho
Theo phương pháp lò, người ta sản xuất muội bằng cách đốt nguyên liệu trong lò trong điều kiện hạn chế không khí. Muội được hình thành trong ngọn lửa của nguyên liệu cháy. Gia nhiệt lò bằng chính nguyên liệu dùng hoặc có thể dùng nhiên liệu khác.
Tính ưu việt của phương pháp lò để sản xuất muội là:
- Có khả năng nhận muội với các tính chất kỹ thuật đa dạng nhất. - Hiệu suất tạo muội cao, do vậy giá thành của muội lò rẻ hơn giá
thành của muội sản xuất theo các phương pháp khác.
- Có thể sử dụng nhà máy sản xuất muội ở cách xa mỏ khí thiên nhiên.
- Có thể sản xuất muội từ nguyên liệu lỏng.
- Dễ dàng điều khiển quá trình hình thành muội và có khả năng sản xuất muội với các tính chất đã dự kiến trước.
- Có khả năng tự động hoá hoàn toàn quá trình sản xuất và cho phép sản xuất sản phẩm muội đồng nhất.
Phương pháp lò ngày càng phát triển và có thể trong những năm tới tất cả các dạng muội đều được sản xuất theo phương pháp này.
Quá trình hình thành muội trong thiết bị phản ứng (lò) xảy ra như sau:
Nhiệt độ cần thiết để phân huỷ nguyên liệu được tạo ra hoặc là do quá trình cháy một phần nguyên liệu hoặc là do gia nhiệt bằng khí đốt khác.
Để phân huỷ nguyên liệu thành C và H, cần phải có một lượng nhiệt trong lò, tương ứng 7.000 ¸ 10.000 kcal nhiệt cho 1 m3 lò.
Khí đốt, nguyên liệu và không khí được đưa vào lò theo một vài hướng, do vậy tạo ra dòng xoáy mạnh. Việc phân huỷ nguyên liệu xảy ra ở
phần giữa của ngọn lửa xoáy. Có thể thay đổi tính chất của muội bằng
cách thay đổi tỷ lệ giữa nguyên liệu, không khí và nhiên liệu (trong
trường hợp sử dụng nhiên liệu để tạo nhiệt độ cần thiết trong lò). Ví dụ tăng lượng không khí so với nguyên liệu sẽ làm tăng nhiệt độ lò, khi đó làm tăng tốc độ phân huỷ nguyên liệu, nhưng hiệu suất của muội lại giảm xuống.
Bảng 6. So sánh các tính chất của các loại lò sản xuất muội
Cấu tạo và kích thước chủ yếu của thiết bị phản ứng Đường kính buồng phản ứng (mm) Thể tích không gian phản ứng (m3) Tiêu hao riêng không khí (m3/kg) Nhiệt độ vùng phản ứng (oC) Tốc độ khí trong thiết bị phản ứng (m/s) Thời gian lưu của hỗn hợp khí- muội trong lò (s) Hiệu suất muội (%) Bề mặt riêng của muội (m2/g) Độ hấp phụ dầu (cm3/g) pH muộ 1500 5,264 3,9 1325 2,09 1,42 26 73,1 1,18 5,69 880 2,69 3,5 1325 5,53 0,8 30 71,7 1,07 7,40 300 0,198 3,0 1490 45,1 0,063 42 63,5 0,89 8,5
Từ bảng 6 có thể thấy giảm thể tích lò (trong cùng một lượng nguyên liệu cho vào) thì sự tiêu hao riêng của không khí cho 1 kg nguyên liệu cũng giảm đáng kể (từ 3,9 xuống 3 m3/kg), dễ dàng tăng tốc độ
khí trong lò (từ 2,03 lên 45,1 m/s) và rút ngắn thời gian lưu hỗn hợp khí - muội trong lò (1,42 xuống 0,063 s).
Việc giảm thể tích lò làm tăng mạnh hiệu suất tạo muội khi mức độ
phân tán muội tương tự nhau. Việc rút ngắn thời gian lưu của hỗn hợp khí muội trong lò dẫn đến làm giảm mức độ cấu trúc hoá muội và mức
độ nhám bề mặt của nó.
Nguyên liệu để sản xuất muội lò là khí thiên nhiên và dầu (từ dầu mỏ) có mức thơm hoá cao và dầu có nguồn gốc than đá. Để nâng cao nhiệt độ của lò đến mức độ cần thiết, trong sản xuất muội người ta
thường dùng nhiên liệu bổ sung là khí thiên nhiên, khí cốc hoặc khí nhiệt phân trong công nghiệp chế biến dầu mỏ.
Nguyên liệu lỏng cần phải chứa không nhỏ hơn 70% hydrocacbon thơm; hàm lượng lưu huỳnh và tro trong nguyên liệu phải là nhỏ nhất.
Phương pháp lò có thể dùng để sản xuất các loại muội với các tính chất khác nhau.
Hiện nay chưa có quy định và phân loại quốc tế về muội. Tuy nhiên
trước đây ở Liên Xô cũ và các nước Đông âu đã có sự thống nhất phân loại muội theo kiểu muội hoạt động và muội bán hoạt động dùng cho cao su, hoặc theo phương pháp sản xuất, theo nguyên liệu, v.v....
Tại Mỹ và các nước phương Tây, người ta phân loại theo khả năng tăng cường độ bền cao su, theo công dụng, hoặc theo ứng dụng trong sản xuất các loại cao su khác nhau.
Muội lò thường được sản xuất từ nguyên liệu có nguồn gốc dầu mỏ
hoặc có nguồn gốc từ than đá.
Có hai phương pháp sản xuất muội lò hoạt động:
Phương pháp thứ nhất:
Đốt cháy một phần nguyên liệu (không khí được điều khiển lưu lượng chính xác) sao cho nhiệt nhận được đủ làm phân huỷ phần nguyên liệu còn lại và hình thành muội.
Phương pháp thứ hai:
Trong thiết bị phản ứng (lò) người ta đốt cháy riêng nhiên liệu (lỏng hoặc khí) để tạo nhiệt độ cần thiết cho thiết bị phản ứng, tiếp đó đưa
nguyên liệu dầu (ở trạng thái hơi hay trạng thái được đun nóng) vào
ngọn lửa, khi đó nguyên liệu dầu bị phân huỷ và hình thành muội.
Người ta áp dụng một vài sơ đồ công nghệ để sản xuất muội lò hoạt
động. Chúng khác nhau bởi việc chuẩn bị nguyên liệu, cấu tạo thiết bị phản ứng và phương pháp làm lạnh hỗn hợp muội nhận được trong thiết bị phản ứng và phương pháp tách muội khỏi khí.
Người ta sản xuất muội lò hoạt động (ví dụ loại ΠM70) theo phương
pháp thứ nhất trong lò hình trụ, thu gom muội bằng phương pháp lọc
Nguyên liệu lỏng (dầu từ dầu mỏ hay dầu cốc) được bơm từ bể chứa vào thùng cao vị chứa nguyên liệu 1, sau đó qua bơm 2 vào thiết bị trao đổi nhiệt 3 và sau đó vào đèn đốt của thiết bị phản ứng 4. Người ta dùng máy nén 6 có áp lực cao để chuyển không khí vào đèn đốt của thiết bị phản ứng để phun mù nguyên liệu và dùng quạt gió 5 để đưa không khí áp suất thấp vào lò. Không khí áp suất thấp dùng để đốt một phần nguyên liệu tạo nhiệt độ cần thiết để phân huỷ phần hydrocacbon còn lại để tạo ra muội.
Để sản xuất muội với các tiêu chuẩn kỹ thuật theo yêu cầu thì cần phải điều chỉnh chính xác tỷ lệ nguyên liệu và không khí đưa vào
cũng như chế độ nhiệt độ của quá trình.
Sơ đồ hiện đại hơn là sơ đồ công nghệ sản xuất muội hoạt động
ΠM70 trong lò được gia nhiệt riêng bằng cách đốt khí. Muội được thu gom nhờ bộ lọc tay áo và xyclon. Sơ đồ này biểu thị trên.
Nguyên liệu dầu mỏ hay dầu cốc từ thùng chứa 6 được gia nhiệt đến 60 - 80oC bằng máy bơm ly tâm 7, đưa nguyên liệu vào thiết bị trao
đổi nhiệt 8, ở đó được gia nhiệt bằng hơi đến 103 - 130oC. Ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt, nguyên liệu được hướng đến thiết bị bốc hơi ẩm 9 bằng máy bơm ly tâm 11 và vào bộ lọc 12, sau đó đến thiết bị
gia nhiệt 13, tại đây nguyên liệu được đốt nóng đến 280 - 320oC. Để
cấp nhiệt cho nguyên liệu trong lò gia nhiệt, người ta đốt khí đốt hay nhiên liệu lỏng. Ra khỏi thiết bị gia nhiệt, nguyên liệu được bơm vào
đèn đốt của thiết bị phản ứng 14 dưới áp lực 6 - 8 kG/cm2. Nguyên liệu dư ở đây được cho quay về thiết bị bốc hơi ẩm 9.
Lò tạo muội
Thiết bị này để nhận muội lò hoạt động. Chúng có nhiều kiểu cấu tạo khác nhau. Phổ biến và đơn giản nhất là kiểu lò hình trụ nằm ngang. Trong lò kiểu này, nhiệt cần thiết để phân huỷ nguyên liệu do quá trình đốt cháy một phần nguyên liệu. Ở các nhà máy sản xuất muội,
người ta sử dụng lò hình trụ có lượng tiêu hao đến 500 kg nguyên liệu / giờ. Cứ 2 hay 3 lò được gom vào một bộ gom chung.
Lò để sản xuất muội ΠM70 là một ống có đường kính trong 1 m, dài 2,5 m. Ống này nối với một ống hình côn chuyển tiếp có đường kính 0,6 m, dài 5,5 m. Vỏ lò bọc kim loại, bên trong có lót vài lớp gạch chịu lửa và được bọc bởi một lớp gạch cách nhiệt nhẹ.
Việc xây lắp lò cần phải rất thận trọng do nhiệt độ làm việc của lò
đạt tới 1450oC. Trong lò người ta có gắn các dụng cụ đo nhiệt độ và áp suất.
Ở đầu lò có bố trí một lỗ để đặt đèn đốt. Thời gian lưu của hỗn hợp khí - muội trong vùng phản ứng ở nhiệt độ cao là 0,8 giây.
Dưới đây trình bày lò sản xuất muội kiểu xyclon. Loại lò này cũng được sử dụng phổ biến như lò hình trụ nằm ngang đã nêu ở trên. Nguyên lý chung về cấu tạo của lò kiểu xyclon như sau:
- Đường kính buồng cháy lớn hơn 2,5 lần chiều dài của nó. Đường kính buồng phản ứng bằng chiều dài của buồng cháy.
- Chiều dài buồng phản ứng lớn hơn 5 lần chiều dài buồng cháy.
Chất cháy có thể là nhiên liệu lỏng hay nhiên liệu khí và không khí dùng cho việc đốt chất cháy chuyển vào qua rãnh bên của buồng đốt. Dòng khí cháy và nguyên liệu trộn với nhau với tốc độ không dưới 50 m/s, do vậy tạo ra dòng chuyển động xoáy mạnh của khí vào vùng phản
ứng. Trong vùng phản ứng có ống để phun nước, sản phẩm phản ứng dễ dàng bị nước sạch làm lạnh (được chuyển vào lò phản ứng bằng 4 vòi phun).
Nguyên liệu lỏng được phun vào ở trạng thái mù vào vùng cháy 3 qua vòi phun 1. Nhiên liệu khí (hay lỏng) được đốt cháy tại 2 cái đèn
12 bố trí trong vùng cháy. Một trong 2 đèn có trang bị bugi đánh lửa
để đốt khí.
Lò là bộ phận chủ yếu của sản xuất muội lò hoạt động. Chỉ khi thực hiện đúng quy trình công nghệ chạy lò và các công việc tiếp theo của tất cả các quá trình sản xuất thì mới có thể đảm bảo sản xuất được muội có chất lượng như dự kiến.
Những quy luật chủ yếu của quá trình sản xuất muội lò hoạt động
như sau:
- Mức độ phân tán của muội phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình hình thành muội: nhiệt độ càng cao thì mức phân tán của muội càng cao.
- Nhiệt độ của quá trình hình thành muội được quyết định bởi lượng không khí tiêu hao cho 1 kg nhiên liệu đem đốt. Lượng tiêu hao riêng của không khí càng cao thì nhiệt độ càng cao và độ phân tán của muội cũng càng càng cao.
- Mức độ cấu trúc của muội phụ thuộc vào tính chất, nhiệt độ, mức
độ phun mù của nguyên liệu. Hàm lượng của các hợp chất thơm
trong nguyên liệu càng cao thì mức độ cấu trúc của muội càng cao. - Các tính chất của muội còn phụ thuộc nhiều thông số của lò, chế độ
phun nguyên liệu, thời gian lưu, đặc tính làm lạnh, v.v...
Để đảm bảo chế độ làm việc ổn định trong sản xuất muội, cần phải tự động hoá khâu điều khiển quá trình trong lò phản ứng.
7.3. Sản xuất muội từ nguyên liệu khí Sản xuất từ khí tự nhiên
Có thể sản xuất nhiều loại muội từ khí thiên nhiên bằng phương pháp
lò. Ở phương pháp này, muội hình thành trong ngọn lửa khí cháy trong lò. Sau một khoảng thời gian ngắn muội nằm trong vùng nhiệt
độ cao, sẽ được tách ra khỏi hỗn hợp khí trong thiết bị lọc điện. Nhiệt
độ cần thiết để phân huỷ khí thành C và H được tạo ra bằng cách đốt một phần khí nguyên liệu.
Còn có quá trình sản xuất muội khí lò theo phương pháp này trên cơ
Nguyên liệu lỏng thường được dùng là phần nặng của dầu mỏ, nhựa
than đá hoặc các sản phẩm phụ trong công nghệ chế biến dầu mỏ. Việc sử dụng nguyên liệu lỏng làm tăng cao đáng kể năng suất của thiết bị phản ứng và hiệu suất muội cũng được tăng lên.
Sơ đồ công nghệ sản xuất muội khí lò từ khí tự nhiên mô tả ở.
Khí tự nhiên được làm sạch khỏi các tạp chất cơ học, nước, dầu mỏ, H2S, được đưa vào thiết bị phản ứng 1, ở đó không khí được đẩy vào nhờ quạt gió 2. Muội cùng với khí hình thành khi cháy theo ống 3, gọi là ống “hoạt hoá , được đi vào thiết bị làm lạnh 4. Ở đó hỗn hợp khí - muội được làm lạnh do bốc hơi nước bằng vòi phun bụi
nước vào. Ra khỏi sinh hàn, muội và các khí đi vào thiết bị lọc điện
để tách muội. Tiếp đến muội được đưa đến thiết bị phân tách 8 nhờ
trục vít 6 và máy nâng 7. Ở thiết bị phân tách 8 các tạp chất lạ được tách ra, tiếp đó vào thiết bị tạo hạt trong thùng 9.