一种闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置
技术领域
本实用新型涉及橡胶轮胎、橡胶制品用不溶性硫磺的制备设备技术领域，特别是涉及一种闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置。
背景技术
喷雾反应设备是一种先进新型高效能工艺设备，利用雾化器将溶液、乳浊液、糊状液及悬浮液物料发生雾化，微粒化的雾滴具有极大的表面积，在某种高温气氛条件下促使物料发生干燥、分解或裂化反应，生产出符合要求的粉状产品或产生全新材料。目前被广泛应用于石化、航空、军工行业领域的液体、悬浮液和粘稠流体，如超导材料、磷酸铁锂、石墨、推进剂、负极材料、石油催化剂和药物等；也可用于锂电池材料、中间体和无机盐产品，是化工、新能源及先进材料等行业的理想工艺设备。
随着我国汽车行业的迅速发展，轮胎的年产量也逐年增加，硫磺作为橡胶的主要硫化剂，其需求量也逐年上升。
但普通硫磺在橡胶中的溶解度有限，其在橡胶混炼过程中溶解度会随着温度的升高而增加，温度降低时会在混炼胶表面以结晶的形态析出，迁移到胶料的表面，即形成轮胎和橡胶制品生产中所谓的“喷霜”现象，严重影响了产品的外观并降低了制品的粘合性。
为了解决普通硫磺喷霜等问题，不溶性硫磺(IS)产品应运而生，不溶性硫磺(IS)，是硫磺(S)深加工的一种线型长链的高分子聚合物，分子链上的硫原子数高达108以上；不溶于二硫化碳，故称不溶性硫磺。目前IS是公认的具有不喷霜特点的最佳橡胶硫化剂，其具有以下优点：①使胶料具有良好的自粘性。能提高多层橡胶制品各层间的粘合强度，尤其可改善制造轮胎时钢丝与橡胶的粘合性能。②不溶性硫磺在胶料中均匀分布，有效地减少了胶料存放时焦烧的现象，延长了胶料存放期，保证了硫化均匀，提高了橡胶制品质量。③由于其不溶于橡胶，因而不会迁移到胶料表面而产生喷霜，保证了浅色制品的外观质量。在汽车全钢丝子午轮胎的生产中，不溶性硫磺是最佳的橡胶硫化剂和促进剂，目前尚无替代产品。
由于技术上的原因，国内企业生产的不溶性硫磺产品存在纯度偏低、灰分高、耐热性差等问题，与国外Flexsys等公司的产品相比差距仍然较大。
虽然不溶性硫磺性能突出，但是国内外生产不溶性硫磺的技术普遍还存在着生产成本大、能耗大、设备腐蚀严重，高压容易产生事故，同时不溶性硫磺在存放过程中存在不稳定性，容易转化成普通硫磺等问题。因而，近年来也在寻求开发环保安全的不溶性硫磺生产新工艺，但目前这些新工艺多数仍处在实验室阶段，尚未实现工业化。
气化法或是熔融法，其技术关键主要是稳定剂的选取，急冷液及急冷方式的确定。然而国内大部分生产厂家和部分中国专利采用的是以水为淬火液的方法，也有部分中国专利采用的是二硫化碳和复合稳定剂以不同比例配合的方法。以水为急冷液的方法生产的不溶性硫磺分散性差，高温热稳定性满足不了子午线轮胎的要求，生产过程中废水量大，环保问题突出，中国专利01101968.9专门对此提出了一种“熔融法无水化不溶性硫磺的生产方法”。以二硫化碳为急冷液生产的不溶性硫磺基本可以满足子午线轮胎的需求，但因其沸点只有42.7℃，闪点-30℃，生产过程极其易燃易爆。中国专利201310511371.1和中国专利201310511388.7中提到了采用雾化的方法制备不溶性硫磺，但仅是工艺上的阐述，并未提到具体的反应装置。
此外，液流的急冷基本采用倾倒式或滴入式，急冷效果差，导致转化率低，这也是熔融法生产不溶性硫磺含量低于气化法的原因。同时，生成的不溶性硫磺粗产品为块状或颗粒状，固化后不易粉碎。
发明内容
为解决以上技术问题，本实用新型提供一种闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置，可通过一个设备完成硫磺的高温开环反应，低温结晶的两个过程。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
本实用新型提供一种闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置，包括熔融系统、进料系统、高温反应炉、冷却腔室、分离系统、气体分析系统、冷却系统、压力平衡系统和出料系统；所述熔融系统的出口端与所述进料系统的入口端相连通，所述进料系统的出口端设置有雾化喷头，所述雾化喷头与所述高温反应炉相连通，所述高温反应炉与所述冷却腔室相连通，所述冷却系统的出口端与所述冷却腔室内部相连通；所述冷却腔室底部设置有所述出料系统，所述分离系统的入口端与所述冷却腔室相连通，所述分离系统的气体出口端与所述冷却系统的入口端相连通；所述分离系统的气体出口端与所述冷却系统的入口端之间设置有所述气体分析系统和所述压力平衡系统。
可选的，所述冷却系统包括依次连通的风机、热交换器、过滤器和气体分布器；所述风机的入口端与所述分离系统的气体出口端相连通；所述气体分布器用于将冷却气体通入所述冷却腔室内。
可选的，所述冷却腔室上部为圆柱形，下部为圆锥形筒体，所述出料系统设置于所述圆锥形筒体的底部；所述气体分布器设置于所述冷却腔室的顶部或下部。
可选的，所述分离系统包括分离器和尾气净化器，所述分离器的入口端与所述冷却腔室相连通，所述分离器的气体出口端与所述尾气净化器相连通，所述尾气净化器的气体出口端与所述风机的入口端相连通。
可选的，所述冷却腔室为箱体式结构，所述箱体式结构内底部设置有清扫装置，所述箱体式结构内底部设置有输送带，所述高温反应炉设置于所述冷却腔室一侧，所述气体分布器设置于所述高温反应炉和所述冷却腔室之间；所述出料系统设置于所述冷却腔室另一侧的底部。
可选的，所述分离系统包括尾气净化器。
可选的，所述冷却腔室为水平放置的筒形结构，所述高温反应炉设置于所述冷却腔室一侧，所述气体分布器设置于所述高温反应炉和所述冷却腔室之间；所述出料系统设置于所述冷却腔室另一侧的底部。
可选的，所述分离系统包括分离器和尾气净化器，所述分离器的入口端与所述冷却腔室相连通，所述分离器的气体出口端与所述尾气净化器相连通，所述尾气净化器的气体出口端与所述风机的入口端相连通。
可选的，所述冷却腔室还包括驱动传动机构，所述驱动传动机构包括设置于所述冷却腔室外壁上的第一齿圈和支撑圆轨，以及设置于所述冷却腔室下方的可转动的支撑轮和驱动电机，所述驱动电机的动力输出端上设置有一第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿圈相啮合；所述支撑轮与所述支撑圆轨相接触。
可选的，所述出料系统为定量出料器或螺旋出料器。
本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)不溶性硫磺喷雾反应装置稳定性高，工艺特点适合大规模工业化、连续性生产。
(2)不溶性硫磺喷雾反应装置依托传统喷雾干燥的机理，可行性高。
(3)所涉及的不溶性硫磺生产工艺安全性高，环境友好，无三废排放。
(4)产品稳定性高，可有效提高热稳定性高，在橡胶混炼胶中不出现喷霜现象。
(5)本实用新型制备的不溶性硫磺产品能在胶料中均匀分布，有效减少胶料存放时焦烧，延长了胶料存放期，提高橡胶制品质量。
(6)产品综合性能突出，提高胶料的自粘性，改善制造轮胎时钢丝与橡胶的粘合性能，赋予橡胶制品良好的综合性能。
(7)本实用新型工艺降低了不溶性硫磺在生产中对设备的高要求以及后续处理过程中存在的高危险性。
(8)本实用新型制备的不溶性硫磺产品质量稳定性高，市场竞争力强，具有良好的经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。
图1为本实用新型闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置的第一种结构示意图；
图2为本实用新型闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置的第二种结构示意图；
图3为本实用新型闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置的第三种结构示意图；
图4为本实用新型闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置的第四种结构示意图；
图5为本实用新型闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置中直线层流均风气体分布器的剖视结构示意图；
图6为本实用新型闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置中直线层流均风气体分布器的俯视结构示意图；
图7为本实用新型闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置中蜗壳型气体分布器的结构示意图。
附图标记说明：1、熔融系统；2、进料泵；3、雾化喷头；4、高温反应炉；5、气体分布器；6、冷却腔室；7、旋风分离器；8、尾气净化器；9、气体分析系统；10、风机；11、热交换器；12、过滤器；14、压力平衡系统；15、出料系统；16、层流孔板。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置，包括熔融系统1、进料系统、高温反应炉4、冷却腔室6、分离系统、气体分析系统9、冷却系统、压力平衡系统14和出料系统15；所述熔融系统1的出口端与所述进料系统的入口端相连通，所述进料系统的出口端设置有雾化喷头3，所述雾化喷头3与所述高温反应炉4相连通，所述高温反应炉4与所述冷却腔室6相连通，所述冷却系统的出口端与所述冷却腔室6内部相连通；所述冷却腔室6底部设置有所述出料系统15，所述分离系统的入口端与所述冷却腔室6相连通，所述分离系统的气体出口端与所述冷却系统的入口端相连通；所述分离系统的气体出口端与所述冷却系统的入口端之间设置有所述气体分析系统9和所述压力平衡系统14。
于本具体实施例中，如图1-7所示，所述冷却系统包括依次连通的风机10、热交换器11、过滤器12和气体分布器5；所述风机10的入口端与所述分离系统的气体出口端相连通；所述气体分布器5用于将冷却气体通入所述冷却腔室6内。
所述冷却腔室6上部为圆柱形，下部为圆锥形筒体，所述出料系统15设置于所述圆锥形筒体的底部；所述气体分布器5设置于所述冷却腔室6的顶部或下部。
出料系统15包括定量出料器，也可以选用螺旋出料器。
所述分离系统包括旋风分离器7和尾气净化器8，所述旋风分离器7的入口端与所述冷却腔室6相连通，所述旋风分离器7的气体出口端与所述尾气净化器8相连通，所述尾气净化器8的气体出口端与所述风机10的入口端相连通。
旋风分离器7的底部设置有一个定量出料器或螺旋出料器。尾气净化器8为布袋除尘器，布袋除尘器的底部设置有一个定量出料器或螺旋出料器。
本实施例中的闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置，其主要工作过程如下：
物料在熔融系统1中熔化，并通过进料泵2和雾化喷头3将熔融的物料喷入高温反应炉4，高温反应炉4与冷却腔室6相连通，进入冷却腔室6中的物料被来自气体分布器5的冷却气体迅速冷却成固体颗粒，大部分固体颗粒从冷却腔室6的底部经出料系统15排出，少量固体颗粒随气流进入旋风分离器7，经旋风分离器7的分离，固体颗粒从旋风分离器7的底部排出，气流进入尾气净化器8，经除尘布袋，洁净的气体从顶部排出进入冷却系统，留在尾气净化器8中的固体颗粒从底部排出；冷却系统中，气流依次经过风机10、热交换器11和过滤器12，最终通过气体分布器5流入冷却腔室6中。
设置于尾气净化器8和风机10之间的气体分析系统9能够对循环气流中的成分进行分析，主要是氧气浓度检测，从而便于操作人员对通入系统中的物料和气体进行调整。
压力平衡系统14包括安全阀，即自动泄压阀，用于控制系统中的气体压力，防止气压过大影响装置运行，确保安全生产。
实施例二：
本实施例是在实施例一的基础上改进的实施例。
本实施例中，所述冷却腔室6为箱体式结构，所述箱体式结构内底部设置有清扫装置，所述高温反应炉4设置于所述冷却腔室6一侧，所述气体分布器5设置于所述高温反应炉4和所述冷却腔室6之间；所述出料系统15设置于所述冷却腔室6另一侧的底部。所述分离系统包括尾气净化器8。
清扫装置包括两条并行设置的链条，两条链条设置于所述箱体式结构内底部的两侧，在两条链条之间设置有多个刮板，所述刮板的两端分别与一侧的链条相连接，链条由电机驱动，链条转动过程中带动刮板将掉落到箱体式结构内底部的固体颗粒推到出料系统15排出。
本实施例中的闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置，其主要工作过程如下：
物料在熔融系统1中熔化，并通过进料泵2和雾化喷头3将熔融的物料喷入高温反应炉4，高温反应炉4与冷却腔室6相连通，进入冷却腔室6中的物料被来自气体分布器5的冷却气体迅速冷却成固体颗粒，固体颗粒掉落到冷却腔室6底部，通过清扫装置7将物料推送至出料系统15排出，少量固体颗粒随气流进入尾气净化器8，经除尘布袋，洁净的气体从顶部排出依次进入风机10和热交交换器11制冷换热，然后返回冷却系统，留在尾气净化器8中的固体颗粒从底部排出；冷却系统中，气流依次经过风机10、热交换器11和过滤器12，最终通过气体分布器5流入冷却腔室6中。
实施例三：
本实施例是在实施例一的基础上改进的实施例。
本实施例中，所述冷却腔室6为水平放置的筒形结构，所述高温反应炉4设置于所述冷却腔室6一侧，所述气体分布器5设置于所述高温反应炉4和所述冷却腔室6之间；所述出料系统15设置于所述冷却腔室6另一侧的底部。
所述分离系统包括分离器和尾气净化器8，所述分离器的入口端与所述冷却腔室6相连通，所述分离器的气体出口端与所述尾气净化器8相连通，所述尾气净化器8的气体出口端与所述风机10的入口端相连通。
所述冷却腔室6还包括驱动传动机构，所述驱动传动机构包括设置于所述冷却腔室6外壁上的第一齿圈和支撑圆轨，以及设置于所述冷却腔室6下方的可转动的支撑轮和驱动电机，所述驱动电机的动力输出端上设置有一第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿圈相啮合；所述支撑轮与所述支撑圆轨相接触。
本实施例中的闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置，其主要工作过程如下：
物料在熔融系统1中熔化，并通过进料泵2和雾化喷头3将熔融的物料喷入高温反应炉4，高温反应炉4与冷却腔室6相连通，进入冷却腔室6中的物料被来自气体分布器5的冷却气体迅速冷却成固体颗粒，冷却腔室6在驱动传动机构的作用下转动，固体颗粒在转动过程中从冷却腔室6的一端移动到另一端，并从冷却腔室6另一端的底部的出料系统15排出，少量固体颗粒随气流进入旋风分离器7，经旋风分离器7的分离，固体颗粒从旋风分离器7的底部排出，气流进入尾气净化器8，经除尘布袋，洁净的气体从顶部排出进入冷却系统，留在尾气净化器8中的固体颗粒从底部排出；冷却系统中，气流依次经过风机10、热交换器11和过滤器12，最终通过气体分布器5流入冷却腔室6中。
本实用新型中的闭路循环制备不溶性硫磺的喷雾反应装置，其整个工艺包含了利用喷雾干燥反应装置的雾化工艺快速反应和冷氮气对不溶性硫磺急冷，有效地遏制了逆反应的进行，避免使用易燃易爆的二硫化碳作为萃取剂，得到不溶性硫磺的方法。采用喷雾干燥反应装置在不溶性硫磺生产工艺中，急冷是非常关键的工序之一，起着瞬间终止可逆反应的作用，进而直接影响产品中不溶性硫磺的含量。所需原料来源简单易得，工艺环保无污染，具有良好的社会效益和经济效益。
喷雾反应设备是利用雾化器将某些液体物料进行雾化，微粒化的雾滴具有极大的表面积，在某种高温气氛条件下促使物料发生干燥、分解或裂化反应，是高端新材料行业应用最广泛的工艺。尤其适用于从溶液、乳液、悬浮液和糊状液体原料中制备粉状、颗粒状固体产品。因此，硫磺在高温下会熔融，低温下会凝固，当硫磺处于120℃以上为熔融状态，可以采用喷雾工艺喷入200℃以上的反应腔室内，在此温度以上，硫磺会发生聚合反应得到聚合硫，在装置的后部加有冷却装置，可快速将聚合硫冷却至60℃以下，从而转变为不溶性硫磺，提高了硫磺的转化率和避免使用易燃易爆的二硫化碳作为溶剂，工艺具有环境友好等特点。
利用本实用新型的装置制备不溶性硫磺，采用惰性气体、过热蒸汽等气体能有效的减少硫磺的氧化，提高产品品质。其急冷段工艺有效地遏制了逆反应的进行，进而直接影响产品中不溶性硫磺的含量。所得到的产品性能达到同国外Flexsys等公司产品水平，且工艺环保，可起到节约资源和降低成本的作用，具有良好的市场前景。
本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
