DE1592938C2

DE1592938C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Ruß

Info

Publication number: DE1592938C2
Application number: DE1592938A
Authority: DE
Inventors: Robert Henry Phillips Tex. Kallenberger (V.St.A.)
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1965-12-20
Filing date: 1966-05-31
Publication date: 1973-01-04
Also published as: BE683504A; NL6607946A; NO117037B; DK119784B; IL26946A; SE332867B; DE1592938B1; ES326869A1; GB1150423A; US3445190A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ofenruß mit vorgegebenen Struktureigenschaften, bei dem ein Brennstoff und ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas in eine röhrenförmige Verbrennungszone (I) eingeleitet werden, die mit einer im allgemeinen zylindrischen Reaktionszone (II), deren Durchmesser größer als deren Länge ist, durch deren Umfang in Verbindung steht, wobei der Brennstoff in dieser Zone (I) im wesentlichen vollständig verbrannt wird und das entstehende Gemisch der heißen Verbrennungsgase tangential in die Reaktionszone (II) eingeleitet wird, um darin eine Masse von heißem Verbrennungsgas zu bilden, dort sich spiralförmig nach innen auf die Längsachse dieser Reaktionszone (II) zubewegt und in eine koaxial angeordnete Zersetzungsreaktionszone (III), deren Länge größer als ihr Durchmesser ist und deren Durchmesser kleiner als der der Zone (II) ist, eintritt, und ein ( normalerweise flüssiges Kohlenwasserstoffausgangsmaterial durch die Mitte der Zone (II) hindurch in die Zersetzungsreaktionszone (III) geleitet wird, wobei Ruß in diesen Zonen (II) und (III) durch Pyrolyse des Ausgangsmaterials erzeugt wird, und der Ruß von dem aus dieser Zone (III) ausströmenden Gas gewonnen wird. Ein solches Verfahren ist in der USA.-Patentschrift 2 564 700 beschrieben.

Der größte Teil des heute erzeugten Rußes wird als ein Verstärkungsmittel für Kautschuk verwandt. Bei weitem der größte Teil des kompoundierten Kautschukmaterials, das Ruß enthält, ist besonders für Reifenlaufflächen oder Reifenkarkassen bestimmt. Der Stand der Kautschuk-Kompoundierungstechnik hat sich in einem solchen Maße entwickelt, daß die Eigenschaften des Rußes, der in einer solchen Kompoundierung verwandt wird, in engen Grenzen kontrolliert bzw. gesteuert werden muß. Eine solche Kontrolle all der gewünschten Eigenschaften des Rußes ist oft schwer zu erreichen.

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Rußes, wenn dieser bei der Kompoundierung von Kautschuk für die Verwendung bei der Herstellung von Reifen verwandt wird, wird allgemein als »Struktur« bezcich-

3 4

net. Es besteht eine gute Beziehung zwischen der Struk- Struktureigenschaften des entstehenden Rußes be-

tur eines Rußes und dem Modul eines Kautschuk- wirkt.

Produktes, das mit diesem Ruß kompoundiert ist. Bei Ein zweites in der deutschen Auslegeschrift 1 027 347 vergleichbaren übrigen Eigenschaften ergibt ein hoher beschriebenes Verfahren besteht darin, zwei Kohlen-Strukturruß normalerweise einen Kautschuk mit 5 Wasserstoffausgangsmaterialien mit verschiedener Zuhohem Modul und ein niedriger Strukturruß normaler- sammensetzung und verschiedenem Molekulargewicht weise einen Kautschuk mit niedrigem Modul. zuzuführen und die Struktureigenschaften des erzeug-

Unter dem Ausdruck »Struktur«, wie er hierin auf ten Rußes durch Ändern der Zusammensetzung der

Ruß angewandt wird, werden die Eigenschaften der Ausgangsmaterialien zu steuern. Dieses Verfahren hat

Rußteilchen verstanden, die sich auf das Ausflocken io den Nachteil, daß verschiedene Ausgangsmaterialien

dieser Teilchen beziehen. Die Struktur wird hoch verwendet werden müssen, wobei zur Steuerung der

genannt, wenn eine starke Neigung für die Teilchen Struktureigenschaften noch komplizierte Vorgänge

besteht, Ketten der Teilchen zu bilden. Umgekehrt zum Auswählen und Herstellen der verschiedenen

wird die Struktur als niedrig bezeichnet, wenn eine Ausgangsmaterialien erforderlich sind. Dadurch wird

geringe Neigung besteht, solche Ketten zu bilden. Da 15 dieses Verfahren aufwendig und die Steuerung der

die Klassifikationen alle relativ sind, so kann der im Struktureigenschaften verhältnismäßig ungenau.

Handel erhältliche Ruß im allgemeinen mit »Hoch- Erfindungsgemäß wird das Problem dagegen in

struktur«, »Normalstruktur« . und »Niedrigstruktur« vorteilhafter Weise dadurch gelöst, daß'bei'einem

klassifiziert werden. Verfahren, wie es anfangs beschrieben wurde, 90 bis

Ofenruße, die hohe Struktureigenschaften besitzen, 20 0% des Ausgangsmaterials axial in die Reaktionshaben mehrere Vorteile bei der Kompoundierung von zone (II) und 10 bis 100°/o des Ausgangsmaterials in Kautschuk. Zum Beispiel sind sie »leicht verarbeitbar«, die Verbrennungszone (I) strömungsabwärts von dem d. h., sie sind schnell in dem Kautschuk einzumischen. Punkt eingeleitet werden, an dem der Brennstoff und Ein anderer Vorteil besteht darin, daß Kautschuk, der das freien Sauerstoff enthaltende Gas eingeleitet wermit einem Hochstrukturruß kompoundiert ist, bessere 25 den, wobei die Stiuktureigenschaften des erzeugten Strangpreßeigenschaften besitzt. Für viele der An- Rußes durch Festlegung des Verhältnisses der in die Wendungen, in denen Hochstruktur-Ofenruße bevor- Zonen (I) und (II) eingeleiteten Mengen an Kohlenzugt werden, wäre es wünschenswert, einen Ruß mit wasserstoffausgangsmaterial eingestellt werden,
höherer Struktur zu haben, als normalerweise durch Die Menge des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials, Ofenverfahren erhalten werden können. 30 die in diese Verbrennungszone (I) eingeführt wird,

Kürzlich wurden Ofenruße, die eine für Ofenruße liegt im allgemeinen in einem Bereich von 10 bis verhältnismäßig niedrige Struktur besitzen, hergestellt 100 Volumprozent des gesamten Kohlenwasserstoffdurch Einlagerung bestimmter Zusätze in das Kohlen- ausgangsmaterials, das dem Ofen zugeführt wird, wasserstoffausgangsmaterial vor seiner Einführung in Wird eine Zunahme der Struktureigenschaften des die Rußbildungszone. Diese Ruße haben sich in man- 35 Rußproduktes gewünscht, so sollten gewöhnlich wenigchen Fällen bei Anwendungen als nützlich erwiesen, stens etwa 30, vorzugsweise etwa 35 Volumprozent die vorher mit channel-black-Rußen gearbeitet haben, des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials in diese Zone z. B. bei der Verstärkung von natürlichen Kautschuk- (I) zugeführt werden. Werden 100%desKohlenwasserprodukten und bei besonderen Verwendungen, z. B. Stoffausgangsmaterials dieser Zone (I) zugeführt, so bei nichtsingenden, weichlaufenden Reifen. Diese 40 erhält man einen Ruß mit einer höheren Struktur, Ruße werden oft als »Niedrigstrukture-Ofenruße be- als wenn nur ein Teil des Kohlenwasserstoffausgangszeichnet, selbst wenn ihre Strukturwerte oder Öl- materials dieser Zone (I) zugeführt wird. Es erweist absorptionswerte in den Bereich für Ruße fallen, die sich als vorteilhaft, diesen einen Teil des Ausgangsmit »normal«-Struktur bezeichnet werden, oder in den materials in wenigstens zwei solche Verbrennungs-Bereich zwischen »normal«- und »hoch«-Struktur 45 zonen (I) zuzuführen, die tangential mit dem Umfang fallen, da ihre ölabsorptionswerte niedriger liegen, der Zone (II) in Verbindung stehen. Die Menge an als für Ruße, die durch ein Ofenverfahren hergestellt Ausgangsmaterial, die diesen Zonen (I) zugeführt worden sind, normal ist. Deshalb ist es für viele An- wird, kann dabei gleich sein. Sind zwei solche Zonen Wendungen wünschenswert, über einen Ofenruß ver- (I) vorgesehen, so hat sich jedoch gezeigt, daß die fügen zu können, der für einen Ruß, der durch ein 50 größte Zunahme der Struktur des Rußes erhalten Ofenverfahren hergestellt worden ist, eine relativ wird, wenn das Ausgangsmaterial in diese zwei niedrige Struktur besitzt. Zonen (I) in ungleichen Mengen zugeführt wird, d. h.

So ist es wünschenswert, ein Ofenrußverfahren zu ein größerer Teil in die eine dieser Zonen und ein

besitzen, bei dem die Struktur des Rußproduktes kleinerer Teil in die andere.

gesteuert und/oder variiert werden kann, um den 55 Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver-

Marktanforderungen gerqcht zu werden. fahrens eignet sich eine Vorrichtung mit einer im

Zu diesem Zweck wurde in der USA.-Patentschrift allgemeinen zylindrischen Reaktionszone (II), die ko-

2 781 247 vorgeschlagen, einen Teil des Kohlenwasser- axial zusammenhängend und in offener Verbindung

Stoffausgangsmaterials in die dritte Zersetzungsreak- mit einer im allgemeinen zylindrischen Zerselzimgs-

tjonszone einzuleiten, um dadurch die Struktur- 60 reaktionszone (II I) mit geringerem Durchmesser als die

eigenschaften des erzeugten Rußes zu steuern. Die Zone (II) steht, mit einer axialen Zuführleitung in

Nachteile dieses bekannten Verfahrens bestehen darin, diese Zone (II), mit wenigstens einer peripheral

daß zusätzliche Zuführlcitungen in dem Rußofen Zone (1) an dieser Reaktionszone (II) und F.inrichUin-

vorgesehen werden müssen und daß außerdem eine gen für die Zuführung von Brennstoff und freien nicht vollkommene Durchmischung des Ausgangs- 65 Sauerstoff enthaltendem Gas in diese periphereZone(l),

materials mit dem mit hoher Geschwindigkeit durch wobei diese Vorrichtung erfindungsgcmäß durch f'.in-

diese Zone (III) strömenden Verbrennungsgas er- richtungen gekennzeichnet ist, um Ausgangsmaterial

folgt, was eine schlechte Ausbeute und schwankende in diese periphere Zone oder Zonen (1) slrömungs-

abwärts von der Stelle der Zuführung des Brennstoffes und des freien Sauerstoff enthaltenden Gases zuzuführen, wobei die Einrichtungen zum Zuführen des Brennstoffs, des freien Sauerstoff enthaltenden Gases und des Ausgangsmaterials in die periphere Zone (I) eine äußere Leitung, die ein Einlaßende und ein Auslaßende besitzt, eine erste innere Leitung, die mit wenigstens einem Teil ihrer Länge in Längsrichtung in der äußeren Leitung angeordnet ist, wobei das Auslaßende dieser ersten inneren Leitung sich über das Auslaßende dieser äußeren Leitung erstreckt, eine zweite innere Leitung, die in der ersten inneren Leitung in Längsrichtung angeordnet ist, wobei das Auslaßende der zweiten inneren Leitung sich über das Auslaßende der ersten inneren Leitung hinaus erstreckt, eine Abschlußeinrichtung, die das Auslaßende der ersten inneren Leitung verschließt, und mehrere Umfangsöffnungen in der ersten i'nneren Leitung stromauf von und in der Nähe dieser Abschlußeinrichtung enthalten.

Zur Klarstellung seien hier noch einige Bezeichnungen erläutert, die bei der Beschreibung der Erfindung verwendet werden: Mit »Brennstoff« werden Materialien, im allgemeinen Kohlenwasserstoff, bezeichnet, die im Verfahren weitgehend verbrannt werden, um die für die pyrolytische Spaltung erforderliche Energie zu liefern. »Ausgangsmaterial« werden die Kohlenwasserstoffe genannt, die thermisch unter Rußbildung gespalten werden. Mit »Verbrennungsreaklion« wird die Oxydation des Brennstoffs und mit »Zersetzungsreaktion« die Spaltung des Ausgangsmaterials bezeichnet. Die Reaktionszonen werden »axial« genannt, wenn sie in der Hauptrichtung der Ofenachse liegen und »peripher« bzw. »tangential«, wenn sie in einem Abstand zur Hauptachse des Ofens und unter einem Winkel zu dieser Achse, bzw. in Richtung einer Tangente liegen. »Brenngasröhre« wird der Reaktionsraum genannt, in dem die Verbrennungsreaktion zumindest eingeleitet wird.

Im folgenden wird die Erfindung beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Darstellung teils im Schnitt eines Typs eines Rußofens, der bei der Durchführung der Erfindung verwandt werden kann;

F i g. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 von F i g. 1;

F i g. 3 ist eine Ansicht, teils im Schnitt, die ein Detail der Vorrichtung der F i g. 2 zeigt;

F i g. 4 zeigt schematisch die Zufuhr der Ausgangsstoffe zum Reaktor.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand der Zeichnung, in der gleiche Elemente mit gleichen Bczugszcichcn bezeichnet sind, näher erläutert werden. F i g. 1 zcigl den allgemeinen Aufbau und die allgemeine Form eines im Augenblick bevorzugten Typs eines Rußofens, der mil 10 bezeichnet ist, der bei der Durchführung der Erfindung verwandt werden kann. In F i g. 1 ist eine Zcrsclzungsreaktionszone (III) Il ge/eigl, die eine feuerfeste Auskleidung 12 besitzt, die aus hochfeuerfeslcm Material, wie etwa Sillimanit, Aluminiumoxyd oder einem anderen fenci festen Material, das sich für diesen Zweck eignet, hergestellt ist. Line Stahlumnianlelung 14, die isolierendes Material 16 enlliäll, umgibt diese feuerfeste Auskleidung 12. An dem liinlal.lende des Ofens befindet sich eine kurze /one (II) 18, die einen Durchmesser besitzt, der größer als ihre l.;inj!.e isl und deren Durchmesser beträchtlich (■roller als der Durchmesser der Zone (III) 11 ist.

Diese Zone (I I) 18 mit größerem Durchmesser ist im wesentlichen eine Reaktionszone, in der die Verbrennung einer brennbaren Mischung eines Brennstoffes, wie etwa Naturgas, und eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases, wie etwa Luft, durchgeführt bzw. vervollständigt oder abgeschlossen wird. Der bei der Bildung dieser brennbaren Mischung verwandte Brennstoff kann jeder geeignete Brennstoff, entweder flüssig, fest oder gasförmig sein. Im allgemeinen wird

ίο gasförmiger Brennstoff, wie etwa Naturgas, bevorzugt. Die hiernach am meisten bevorzugten Brennstoffe sind flüssige Kohlenwasserstofföle. Das freien Sauerstoff enthaltende Gas ist gewöhnlich Luft, kann jedoch aus hauptsächlich reinem Sauerstoff oder anderen Gasen gebildet werden, die mit hauptsächlich reinem Sauerstoff versetzt sind.

Bei dem Betrieb dieses Ofens in der herkömmlichen Art wird diese brennbare Mischung mit Hilfe eines herkömmlichen Brenners (nicht gezeigt) in wenigstens

ao eine Brenngasröhre oder Verbrennungszone (I) 20 oder 20'· eingeführt, die so in bezug auf die Reaktionszone 18 angeordnet ist, daß Gase, die in dieser _ Röhre 20 oder 20' gebildet werden, in diese Reaktions.- ( ' zone 18 in einer tangentialen Richtung zu deren zylindrischer Wand eintreten. Für die Einführung der brennbaren Mischung in die Brenngasröhre oder Zone (I) 20 oder 20' kann jede geeignete Einrichtung verwandt werden, wie z. B. die in der USA.-Patentschrift 2 780 529 gezeigte Einrichtung. Wie im folgenden diskutiert wird, sind der Brenner und die Kohlenwasserstoffausgangsmaterialeinlaßanordnung, wie sie in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, nicht Teil des Standes der Technik. Die Verbrennung dieser brennbaren Mischung beginnt in der Zone (I) 20 und/oder 20' und wird hier im wesentlichen abgeschlossen. Teile dieser Mischung, die nicht in dieser Zone 20 und/oder 20' verbrannt werden, werden entlang dem Umfang der Reaktionszone 18 verbrannt. Während fortgesetzter Einspritzung bzw. Einführung der brennbaren Mischung in die Verbrennungszone (I) 20 und/oder 20' tritt die sich ergebende Verbrennungsmischling (Flammen- und Verbrennungsprodukte), die hieraus austreten, in die Reaktionszone 18 ein und folgt einer spiralenförmigen Bahn um und auf die Achse dieser • , Zone 18 zu. Wenn die Spirale kleiner als der Durch- Kt/ messer der Zersetzungsreaktionszone (III) Il wird, ändert sich der Gasfluß von einer Spiralform in eine Schraubenform und tritt, dieser letzteren Bahn folgend, in die Zone (III) 11 ein. Ein umzusetzendes Kohlenwasserstofföl, von einer nicht gezeigten Quelle, wird gewöhnlich durch einen Vorwärmer, ebenfalls nicht gezeigt, und schließlich durch die Leitung 22 geleitet, die so axial angeordnet ist, daß das hierdurch zugeführte Kohlenwasscrstoffausgangsmaterial entlang der Achse dieser Zone (II) 18 eingeführt, hier hindurch-

■ geleilet wird und in die Mitte der Zone (III) Il eintritt. Die Bildung von Ruß beginnt in der Zone (II) 18 und wird in der Zone (ill) 11 abgeschlossen, und der gebildete Ruß gelangt von hier suspendiert in Verbrennungsgasen in die Ruß-Gcwinnungseinrichtung (nicht gezeigt). Bevor die Reaktionsmischung (Rauch) jedoch die Zersetzungsreaktionszone (III) Il verläßt, wird diese schnell auf eine Temperatur unterhalb derjenigen Temperatur abgekühlt, bei der Riißbildung einsetzt bzw. stattfindet. Dieses Abkühlen wird in bekannter Art und Weise mit Hilfe von Wasser bewirkt, das durch Leitungen 15 oiler 17 eingeleitet wird, ti ie hier schematise!) gezeigt sind, die sich jedoch

in das Innere der Zone (III) 11 in bekannter Art und Weise erstiecken. Die Bildung von Ruß findet durch eine pyrolytische Zersetzung und/oder leilweises Verbrennen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials unter den Ruß-Erzeugungsbedingungen statt, die in der Zone (II) 18 und der Zone (III) Il bestehen.

Die Zuführleitung 22 ist von einer größeren Leitung 24 umgeben, die in Vorrichtungen der herkömmlichen Art als »Lufthülse bzw. -umhüllung« bezeichnet wird. Eine kleine Menge Luft wird durch den Ringraum zwischen den Leitungen 22 und 24 geleitet. Diese Luft ist nicht wesentlich. Es wird lediglich genügend Luft verwandt, um zu verhindern, daß sich Kohlenstoff auf dem Auslaß der Leitung 22 niederschlägt und/oder um diese Leitungen vor der hohen Temperatur in der Zone (II) 18 zu schützen.

Es ist nicht wesentlich, daß der stromabwärtige Endteil der Zone (III) Il einen konstanten Durchmesser besitzt, wie es dargestellt ist. Gegebenenfalls kann der stromabwärtige Endteil dieser Zone (III) mit einem vergrößerten Durchmesser ausgestattet werden, um eine erhöhte Verweilzeit untei den Ruß-Erzeugungsbedingungen ohne eine unangemessene Erhöhung der Länge dieser Zone (III) zu erreichen. Zum Beispiel kann der stromabwärtige Teil der Zone (111)11 einen inneren Durchmesser von 31cm und eine beliebige geeignete Länge, z. B. bis zu 3 oder 3,4 m Länge besitzen, und der stromabwärtige Teil dieser Zone (III) kann einen inneren Durchmesser von 46 cm und irgendeine geeignete Länge, z. B. bis zu 3 oder 3,4 m besitzen. Da in bezug auf das Volumen 30 cm des 46 cm inneren Durchmesserteils 68,5 cm des 31 cm Durchmesserteils entsprechen, so dürfte klar sein, wie die Gesamtlänge variiert werden kann. Die Reaktionszone (II) 18 kann 30,5 cm lang sein und einen Durchmesser von 94 cm besitzen. Die obigen Dimensionen sind nicht kritisch und sind lediglich als ein Beispiel angeführt, und die Dimensionen können bei der Ausführung der Erfindung geändert werden. Weitere Einzelheiten in bezug auf den Aufbau und die Betriebsweise dieses Ofens sind aus dem Patent 2 564 700 ersichtlich.

In den F i g. 2 und 3 ist im einzelnen eine Form der Anordnung aus Brenner und Kohlenwasserstoffausgangsmaterialeinlaß gemäß der Erfindung gezeigt, die bei der Durchführung der Erfindung verwendet werden kann. Es versteht sich, daß, obgleich dieser Ofen mit zwei tangentialen Brenngasröhren oder Verbrennungszonen (I) 20 und 20' dargestellt ist, auch ein Ofen in den Rahmen dieser Erfindung fällt, der lediglich mit einer solchen tangentialen Röhre oder Zone (I) ausgestaltet ist. Diese langcntialen Zonen (I) 20 und 20' sind einander gegenüberliegend angeordnet, und jede steht tangential mit der Reaktionszone (II) 18 an gegenüberliegenden Flächen auf ihrem Umfang in Verbindung. In jede dieser Zonen (1) 20 und 20' ist eine Anordnung aus einem Brenner und einem Kohlenwasserstoffausgangsmaterialeinlaß gemäß der Erfindung angeordnet. Wie hier dargestellt ist, enthält diese Anordnung einen Lufteinlaß oder eine äußere Leitung, die gemäß der vorliegenden Darstellung aus zwei Abschnitten 30 und 30' gebildet wird. Zwischen der Außenwand dieses Abschnittes 30' und der Wand · der Zone(l) 20 ist eine Büchse 32 angeordnet, die hier als aus Metall bestehend dargestellt ist, die jedoch in manchen Fällen vorzugsweise aus einem keramischen Material gebildet sein kann. Wie dargestellt ist, erstreckt sich das Auslaßende dieser äußeren Leitung 30, 30' in die Zone (I) 20, und das Einlaßende dieser äußeren Leitung ist mit einer Luftversorgungsquelle verbunden. Eine Bundbuchse 34, die eine Hülse 36 besitzt, die an deren stromabwärtiger Stirnseite befestigt ist, ist zwischen diesen Abschnitten 30 und 30' dieser äußeren Leitung angebracht. Eine Austrittsöffnung 38 ist an dem stromabwärtigen Ende dieser Hülse 36 gebildet.

Eine erste innere Leitung 40, die in Längsrichtung innerhalb dieser äußeren Leitung über wenigstens einen Teil ihrer Länge angeordnet ist, und das Auslaßende dieser inneren Leitung 40 erstrecken sich über das Auslaßende dieser äußeren Leitung, d. h. Abschnitt 30'. Wie hier dargestellt ist, erstreckt sich das Einlaßende dieser ersten inneren Leitung 40 durch eine Wand des Abschnitts 30 dieser äußeren Röhre und durch eine Stopfbuchseneinsatzanordnung42, die eine Einrichtung vorsieht, um diese erste innere Leitung 40 gleitend zu bewegen und um so die Stellung ihres Auslaßendes in der Zone (I) 20 zu verändern.

Eine zweite innere Leitung 44 ist in Längsrichtung in dieser ersten inneren Leitung 40 angeordnet und erstreckt sich mit ihrem Auslaßende über das Auslaßende dieser ersten inneren Leitung 40 hinaus. Ein zweiter Stopfbuchseneinsatz 46 ist an dem Einlaßendteil dieser ersten inneren Leitung 40 befestigt, und das Einlaßende dieser zweiten inneren Leitung 44 erstreckt sich dort hindurch, um eine Einrichtung vorzusehen, um diese zweite innere Leitung 44 gleitend zu bewegen und um so die Stellung ihres Auslaßendes in der Zone (I) 20 und in bezug auf das Auslaßende dieser ersten inneren Leitung 40 zu verändern.

Das Alislaßende dieser ersten inneren Leitung 40 ist durch eine Verschlußeinrichtung 48 (s. F i g. 3) verschlossen, die hier durch eine Unterlegscheibe oder ein ringförmiges Glied dargestellt ist, das am Ende dieser ersten inneien Leitung 40 und zwischen dieser und der Außenwand dieser zweiten inneren Leitung 44 angeordnet ist. Jede geeignete Einrichtung kann vorgesehen werden, um den Auslaß oder das stromabwärtige Ende dieser ersten inneren Leitung 40 zu verschließen. Mehrere radial angeordnete Öffnungen50 sind auf dem Umfang des stromabwärtigen Endteiles dieser ersten inneren Leitung 40 nahe dieser Verschluß-bzw. Abschlußeinrichtung 48 angeordnet. Eine Düseneinrichtung 52 ist an dem Auslaßende dieser zweiten inneren Leitung 44 angeordnet. Jede geeignete Düseneinrichtung kann bei der Ausführung der Erfindung verwandt werden. Diese erste innere Lcitung 40 wird in der Hülse 36 mit Hilfe eines leicht eingepaßten Bundes 54 gehalten, der von der Innenwand der Hülse 36 durch mehrere Stäbe oder beliebige andere geeignete Mittel getragen wird.

Beim Betrieb der Vorrichtung wird ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas, wie etwa Luft, von der Leitung 29 durch wenigstens eine äußere Leitung 30, 30' geleitet, und ein Brennstoff, wie etwa Naturgas, wird von der Leitung 39 durch wenigstens eine erste innere Leitung 40 und Öffnungen 50 in das stromabwärtige Ende hiervon in den Luftstrom geleitet, der durch wenigstens eine Hülse 36 Hießt. Die sich ergebende Mischung wird gezündet, und die Flamme ist eine turbulente, nichllaminare Flamme, die in einer turbulenten Zone liegt bzw. festliegt, die dutch die Auslassöffnung 38 und/oder die Stufe, die durch das linde der Hülse 32 gebildet wird, er/eugl wird. Die Verbrennung ist vollständig oder im wesentlichen vollständig, bevor das brennende Verbrenniings-

209 681/217

gemisch die Veibrennungszone (I) 20 oder 20' verläßt und in die Reaktionszone (II) 18 eintritt. Wenigstens ein Teil des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials von der Leitung 22 wird über die Leitung 56 (s. F i g. 4) und in wenigstens eine zweite innere Leitung 44 geleitet und wird in die Zone (I) 20 und/oder 20' mit Hilfe einer Sprühdüse 52 an einem Punkt stromabwärts von dem Eintritt der Luft und des Brennstoffgases eingeführt. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Alislaßenden dieser zweiten inneren Leitungen 44 Röhren mit offenen Enden sind. Wenn eine offenendige Röhre verwandt wird, so sollte das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial im wesentlichen im gas- oder dampfförmigen Zustand sein. Vorzugsweise wird eine Sprühdüseneinrichtung 52 verwandt, um das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial wirksamer als durch einen konisch geformten Austritt in die brennende Mischung aus Brennstoffgas und Luft in der Zone (I) 20 und/oder 20' einzuführen. Das so eingeführte Kohlenwasserstoffausgangsmaterial wird mit diesem Verbrennungsgemisch in die Zone (II) 18 mitgerissen und vermischt sich mit der rotierenden Masse der heißen Verbrennungsgase. Das sich ergebende Gemisch tritt sodann in die Zersetzungsreaktionszone (III) 11 in einem im allgemeinen schraubenförmigen Fluß ein, wie er oben beschrieben wurde.

Gegenwärtig ist nicht gewiß, ob überhaupt Ruß in dieser Verbrennungszone (I) [Brenngasröhre 20 und/ oder 20'] gebildet wird. Da jedoch nicht beabsichtigt ist, die Erfindung durch irgendwelche Theorien in bezug auf den Reaktionsmechanismus zu beschränken, so wird im Augenblick angenommen, daß die Bildung des Rußproduktes zumindest eingeleitet bzw. begonnen wird, d. h., der erste oder die ersten Schritte im Hinblick auf die Bildung dieses Rußproduktes finden in dieser ersten Zone (I) statt, die Bildung des Rußproduktes wird wahrscheinlich wenigstens in diese zweite Zone (II) 18 mitgerissen und wird wahrscheinlich in dieser dritten Zone (III) Il vollendet. Auf diese Weise wird im gesamten Verfahren das Rußprodukt durch pyrolytische Zersetzung und/oder teilweise Verbrennung des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials unter Rußherstellungsbedingungen in dieser ersten, zweiten und dritten Zone gebildet.

Wie oben ausgeführt wurde, wird die größte Erhöhung in den Struktureigenschaften des Rußes erhalten, wenn das ganze. Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in die zwei ersten Zonen (20 und 20') in ungleichen Mengen eingeführt wird. So können, in einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, von ungefähr 7,5 bis ungefähr 40, und vorzugsweise von ungefähr 10 bis ungefähr 20 Volumprozent dieser Beschickung in eine dieser Zonen eingeführt werden, während der restliche Teil in die andere Zone eingeführt wird.

Die in dem Beispiel angegebenen Versuchsläufe wurden in einem Reaktor ausgeführt, der die wesentlichen Merkmale des in den F i g. 1 und 2 gezeigten Reaktors besaß. Bei dem verwendeten Reaktor hatte die Reaktionszone (II) 18 einen Durchmesser von 94 cm und eine Länge von 30,5 cm. Die Zersetzungsreaktionszone (III) Il besaß einen Durchmesser von 30,5 cm. Die röhrenförmigen Verbrenniingszonen 20 und 20' besaßen einen Durchmesser von 30,5 cm und eine Länge auf eier kurzen Seite von annähernd 61 cm. Der Auslaß der Düse 52 lag annähernd 8,25 cm stromabwärts von den öffnungen 50, und diese öffnungen 50 lagen annähernd 5,1 cm stromabwärts von dieser Auslaßöffnung 38. Die obigen Dimensionen sind lediglich als Beispiel angegeben. Die Ausgangsöle, die in den verschiedenen Läufen verwandt wurden, hatten die in Tabelle I unten angegebenen Eigenschaften.

Tabelle I
Eigenschaften der Ausgangsmaterialien

10	API-Schwere ...	bei ....	B e i s ρ	10,	Öl-Nummer	8	10	B
					A			,8
		bei ....
		bei ....	238^C	C (erster .	293
15	ASTM-Vakuum-Destilla	bei ....		Tropfen)		°C
	tion (auf 760 mm korrigiert)	bei ....	295^c	C	306
	2% destilliert	bei ....	313^C	C	314	⁰C
		bei ....	328<	C	324	°c
	5% destilliert	bei ....	342^c	C	339	°c
20	10% destilliert	bei ....	353^C	>C	349	°c
	20% destilliert	bei ....	366'	C	359	°c
	30% destilliert	bei ....	378^C	C	369	°c
	40% destilliert	bei ....	399<	C	383	°c
	50% destilliert	Zorrela-	424^c	C	401	°c
25	60% destilliert		464^C	C (88%)	432	⁰C
	70% destilliert	Kohlenstoff, Gewichtspro			458	°c
	80% destilliert	zent ....				°c
	90% destilliert		90,	5	91
	95% destilliert	Wasserstoff, Gewichtspro
3ο	Bureau of Mines	zent	89	2	89
	tion Index ....					,1
		9,	5	9
					,4
		i e 1	e
35

Eine Reihe von Versuchen wurde durchgeführt, bei denen aromatisches Konzentrat-Öl B als Kohlenwasserstoffausgangsmaterial verwandt wurde. Dieses Ausgangsmaterial ist ein herkömmliches handelsmäßiges Material, das durch die flüssige Schwefeldioxyd-Extraktion von Umlaufölen hergestellt wird, die bei der katalytischen Crackling von Gasölen erhalten werden. Die Betriebsbedingungen, die Ausbeuten an Ruß und die Tests an den Rußprodukten sind weiter unten in Tabelle II angegeben. Ein anderer Versuch, Durchlauf Nr. 1, war ein Kontrollversuch, der mit aromatischem Konzentratöl A als Ausgangsmaterial durchgeführt wurde. Bei diesem Kontrollversuch wurde nichts von dem Kohlenwasserstoffausgangsmaterial tangential über die Zonen (I) 20 und 20' eingeführt, und die brennbare Mischung aus Luft und Brennstoffgas, die diesen Zonen (I) 20 zugeführt wird, wurde durch eine herkömmliche Brenneranordnung eingeführt, die ähnlich der in dem USA.-Patent 2 780 529 dargestellten Brennanordnung war. Aus Tabelle II und insbesondere aus den Versuchen 1, 2 und 3 kann entnommen werden, daß in den Versuchen 2 und 3, in denen das gesamte Kohlen-■ wasserstoffausgangsinaterial tangential in die Verbrennungszonen (I) 20 und 20' eingeführt wurde, das Rußprodukt einen größeren ölabsorptionswert (höhere Struktureigenschaften) besitzt als das Rußprodukt aus Versuch 1, in dem das gesamte Kohlenwasserstoff ausgangsmaterial axial durch die Leitung 22 in herkömmlicher Weise eingeführt wurde.

Tabelle II

1*	2	3	4	Versuchs 5	iummer 6
A 91 830	B 91 757	B 91 749	B 91 765	B 91 761	B 91 755
0 0 0 830	757 379 379 0	749 374 374 0	296 148 148 470	266 133 133 496	190 95 95 566
—	274	285	60	60	60
293	—	—	410	410	410
4,25	3,96	3,96	3,96	3,96	3,96
0,283	0,263	0,263	0,263	0,263	0,263
0,113	0,113	0,113	0,113	0,113	0,113
0,464 87 83,5 1,32	0,474 80 61,8 1,41	0,419 62,9 1,42	0,489 79 71,4 1,35	95 82,1 1,36	93 70,9 1,21

Ölausgangsmaterial

Zuordnung

BMCI

Gesamtmenge (1/Std.) ...
tangentiale Menge, gesamt

(1/Std.)

Obere Zone (I) 20' (1/Std.)
Untere Zone (I) 20 (1/Std.)

axiale Menge (1/Std.)

Vorerhitzung, tangentiales

öl (⁰C)

Vorerhitzung, axiales Öl

(⁰C)

Ofenbedingungen
tangentiale Luft

(m³/Std. · 10-³)

tangentiales Gas

(m³/Std. · 10-³)

Umhüllungsluft

(m³/Std. · 10-³) .......

Rußprodukt

Ausbeute (kg/1)

Photelometer

N₂ Oberfläche, m²/g

Ölabsorption, cm³/g

* = Kontrollversuch.

91
703

703
626
75,1
0

3,96
0,263

_ _ o,484
88
63,6
1,50

91

685

628

57

41

3,96 0,263

0,491 91 62,3

1,47

91 556

556

500

57

41

3,96 0,263

0,408 96 79,4

1,47

91 725

725

630

3,96

0,263

1,51

In den Versuchen 4, 5 und 6 wurde ein Teil des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials tangential über die Zonen (I) 20 und 20' eingeführt, während der restliche Teil axial über die Leitung 22 in herkömmlicher Weise eingeführt wurde. In Versuch 6, bei dem lediglich ungefähr 25 Volumprozent dieses Ausgangsmaterials tangential eingeführt wurden, war der Ölabsorptionswert (Struktur) des Rußproduktes geringer als der ölabsorptionswert (Struktur) des Rußproduktes, das in Versuch 1 erzeugt wurde, bei dem das gesamte Ausgangsmaterial axial durch die Leitung 22 eingeführt wurde. In den Versuchen 4 und 5, in denen ungefähr 39 bzw. 35 Volumprozent des Kohlenwasser-Stoffausgangsmaterials tangential eingeführt wurde, wurde ein leichter Anstieg in dem ölabsorptionswert (Struktui) des Rußproduktes im Vergleich zu dem Rußprodukt im Kontrollversuch 1 erhalten.

In den Versuchen 7 bis 10 wurde das gesamte Kohlen wasserstoff ausgangsmaterial tangential über die Zonen (I) 20 und 20', wie es oben beschrieben wurde, eingeführt, jedoch ein Teil dieses eingeführten Ausgangsmaterials wurde in die obere Zone (I) 20' eingeführt, während der Rest in die untere Zone (I) 20 eingeführt wurde. In diesen Versuchen war die Aufteilung des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials zwischen den Zonen (I) 20 und 20' ungleich, d.h. ein größerer Teil wurde über eine dieser Zonen (I) und ein kleinerer Teil wurde über die andere dieser Zonen (I) eingeführt. Ein Vergleich dieser Versuche 7 bis 10 mit den Versuchen 2 bis 6, in denen ebenfalls das gesamte Kohlenwasseistoffausgangsmaterial durch diese Zonen (I) 20 und 20' eingeführt wurde, in denen dieses jedoch gleichmäßig zwischen diesen beiden Zonen (I) aufgeteilt war, zeigt, daß das Rußprodukt mit der höchsten Struktur erhalten wird, wenn das gesamte Kohlenwasserstoffausgangsmaterial über diese tangentialen Zonen (I) eingeführt wird, wenn jedoch eine ungleiche Aufteilung zwischen diesen Zonen (I) besteht.

Die oben beschriebenen aromatischen Konzentratöle des Beispiels stellen ein im Augenblick bevorzugtes Ausgangsmaterial zur Verwendung bei der Ausführung der Erfindung dar. Jedoch können die herkömmlichen aromatischen Öle, die bei der Herstellung von Ofenruß verwandt werden, die auch andere öle als die Extraktöle enthalten, die durch die flüssige Schwefeldioxyd-Extraktion von Umlaufölen erzeugt werden. Typische Eigenschaften der herkömmlichen aromatischen öle sind: Siedebereich, 204 bis 538"C; BMCI, 75 bis 150; und eine API-Schwere von ungefähr 0 bis ungefähr 20 '.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung, von aromatischen Konzentratölen beschränkt. Andere öle, wie etwa Kerosen, Kohlenwasserstoffe im Gasolin-Siedebeieich, schwere oder leichte Naphtha oder öle, die sogar schwerer als Umlaufgasöle sind, können verwandt werden. Solche Kohlenwasscrstoffmaterialien wie Naturgas, sowohl trockenes Gas, nasses oder rohes Naturgas, wie es aus einer Gasbohrimg austritt, ebenso wie Gasolin-Extraktions-Bclriebs- oder Raffincrierückstandsgas können verwandt werden. Weiterhin können Kohlenwasserstoffe, die schwerer als diese Gase sind, als Ausgangsmateiial verwandt werden.

wie etwa Butan, Pentan od. dgl. Im weiten Sinne kann nahezu jeder Kohlenwasserstoff als Ausgangsmaterial verwandt werden. Jedoch werden normalerweise die flüssigen Kohlenwasserstoffe bevorzugt, und normalerweise werden die flüssigen aromatischen Kohlenwasserstoffe besonders bevorzugt, wegen ihrer hohen Erträge, die man aus ihnen erhält. Das Ausgangsmaterial kann als eine Flüssigkeit durch einen Versprüher oder Zerstäuber injiziert werden . oder als Dampf eingeleitet werden. Kohlenwasserstoffe aus anderen Ausgangsprodukten als Mineralöl sind gleichfalls geeignet, wie z. B. Niedrig-Temperatur-Kokereigas, Kohlentcerdestillate, Schieferöl und Destillate können verwendet werden. Diese Ausgangsmaterialien können nahezu jede Klasse von Kohlenwasserstoffzusammensetzungen enthalten, wie z. B. gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Paraffine, Olefine, Aromaten, Naphthene od. a.

Der BMCI-Beziehungsindex (correlation index), auf den Bezug genommen ist, ist ein Beziehungsindex, der durch das US. Bureau of Mines entwickelt worden ist und verwandt wird, um den Aromatengehalt eines Öls zu kennzeichnen; ein hohei numerischer Index kennzeichnet ein höher aromatisches Öl. Der Index wird aus der Formel berechnet:

C. Z. = -⁴⁸
K

473,7G-456,8,

. wobei:

CI. = Bureau of Mines correlation index,
K = durchschnittlicher Siedepunkt (⁰K),
G = spezifisches Gewicht Θ 60°F/60°F.

Die Ölabsorption wird gemessen, indem wenige

ίο Tropfen Öl zu einer Zeit zu einem Gramm der Rußprobe auf einem Mischstein oder eine Glasplatte gegeben werden. Nach jeder Zugabe wird das Öl sorgfältig mit einem Spatel unter Anwendung von mäßigem Druck vermischt. Winzige Kügelchen werden gebildet, die allmählich an Größe zunehmen, je mehr Öl zugegeben wird. Der Endpunkt, dem man sich nähert, indem jeweils nur ein Tropfen Öl zugegeben wird, wird erreicht, wenn ein einziger Ball aus steifer Paste gebildet wird. Die Ergebnisse werden angegeben in

cm³ Öl/g Ruß oder umgerechnet auf gallons Öl pro 100 pounds Ruß.

Der Photelometer-Test ist eine Messung des Teergehaltes des Rußes. Weitere Einzelheiten in bezug auf diesen Test können aus der USA.-Patentschrift 3 009 784 ersehen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Ofenruß mit vorgegebenen Struktureigenschaften, bei dem ein Brennstoff und ein freien Sauerstoff enthaltendes Gas in eine röhrenförmige Verbrennungszone (I) eingeleitet werden, die mit einer im allgemeinen zylindrischen Reaktionszone (II), deren Durchmesser größer als deren Länge ist, durch deren Umfang in Verbindung steht, wobei der Brennstoff in dieser Zone (I) im wesentlichen vollständig verbrannt wird und das entstehende Gemisch der heißen Verbrennungsgase tangential in die Reaktionszone (II) eingeleitet wird, um darin eine Masse von heißem Verbrennungsgas zu bilden, dort sich spiralförmig nach innen auf die Längsachse dieser Reaktionszone (II) zu bewegt und in eine koaxial angeordnete Zersetzungsreaktionszone (III), deren Länge größer als ihr Durchmesser ist und deren Durchmesser kleiner als der der Zone (II) ist, eintritt, und ein normalerweise flüssiges Kohlenwasserstoffausgangsmaterial durch die Mitte der Zone (II) hindurch in die Zersetzungsreaktionszone (III) geleitet wird, wobei Ruß in diesen Zonen (II) und (III) durch Pyrolyse des Ausgangsmaterials erzeugt wird, und der Ruß von dem aus dieser Zone (III) ausströmenden Gas gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß 90 bis 0% des Ausgangsmaterials axial in die Reaktionszone (II) und 10 bis 100% des Ausgangsmaterials in die Verbrennungszone (I) strömungsabwärts von dem Punkt eingeleitet werden, an dem der Brennstoff und das freien Sauerstoff enthaltende Gas eingeleitet werden, wobei die Struktureigenschaften des erzeugten Rußes durch Festlegung des Verhältnisses der in die Zonen (I) und (II) eingeleiteten Mengen an Kohlenwasserstoffausgangsmaterial eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil des Ausgangsmaterials in wenigstens zwei Verbrenhungszonen (I) eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Mengen von Ausgangsmaterial, die in die zwei verschiedenen Verbrennungszonen (I) eingeleitet werden, nicht gleich sind.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit eindr im allgemeinen zylindrischen Reaktionszone (II), die koaxial zusammenhängend und in offener Verbindung mit einer im allgemeinen zylindrischen. Zersetzungsreaktionszone (III) mit geringerem Durchmesser als die Zone (II) steht, mit einer axialen Zuführleitung in diese Zone (II), mit wenigstens einer peripheren Zone (I) an dieser Reaktionszone (II) und Einrichtungen für die Zuführung von Brennstoff und freien Sauerstoff enthaltendem Gas in diese periphere Zone (II), gekennzeichnet durch Einrichtungen (44, 52), um Ausgangsmaterial in diese periphere Zone (I) oder Zonen (20, 20') slrömungsabwärts von der Stelle der Zuführung des Brennstoffes und des freien Sauerstoff enthaltenden Gases zuzuführen, wobei die Hinrichtungen zum Zuführen des Brennstoffs, des freien Sauerstoff enthaltenden Gases und des Ausgangsmaterials in diese periphere Zone (I) eine äußere Leitung (30), die ein Einlaßende (29) und ein Auslaßende (38) besitzt, eine erste innere Leitung (40), die mit wenigstens einem Teil ihrer Länge in Längsrichtung in der äußeren Leitung (30) angeordnet ist, wobei das Auslaßende dieser ersten inneren Leitung (40) sich über das Auslaßende (38) dieser äußeren Leitung (30) erstreckt, eine zweite innere Leitung (44), die in der ersten inneren Leitung (40) in Längsrichtung angeordnet ist, wobei das Auslaßende (52) der zweiten inneren Leitung (44) sich über das Auslaßende der ersten inneren Leitung (40) hinaus erstreckt, eine Abschlußeinrichtung (48), die das Auslaßende der ersten inneren Leitung (40) verschließt, und mehrere Umfangsöffnungen (50) in der ersten inneren Leitung (40) stromauf von und in der Nähe dieser Abschlußeinrichtung (48) enthalten.