DE2106912C2

DE2106912C2 - Vorrichtung zur Herstellung von Ofenruß

Info

Publication number: DE2106912C2
Application number: DE2106912A
Authority: DE
Inventors: William G. Whitman Mass. Burbine; Merril E. Walpole Mass. Jordan; Allan C. Sudbury Mass. Morgan
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1970-02-19
Filing date: 1971-02-13
Publication date: 1986-06-05
Also published as: JPS5227632B1; FR2080627A1; IL36229A; IL36229A0; GB1309618A; BE763221A; DE2166947A1; NL7102263A; DE2106912A1; MY7400029A; FR2080627B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Ofenruß aus einem flüssigen kohlenwasserstoffhalügen Ausgangsstoff sowie flüssigen oder dampfförmigen Brennstoffen und Sauerstoff enthaltenden Gasen, bestehend aus einer Verbrennungszone, die einen Brenner mit einer perforierten Platte enthält, hinter der ein Verteiler für die Brennstoffe angeordnet ist, einer sich an die Verbrennungszone anschließenden Injektionszone mit öffnungen in der Wand der Injektionszone, wobei die öffnungen zu Einführvorrichtungen für den flüssigen Ausgangsstoff gehören, einer sich an die Injektionszone anschließenden Reaktionszone und einer nachfolgenden Abschreckzone.

Bei der Herstellung von Ofenruß sprüht man einen flüssigen aus Kohlenwasserstoff bestehenden Ausgangsstoff, z. B. einen Erdölteer, in ein turbulentes Verbrennungsgas, das durch Umsetzen eines flüssigen Brennstoffes mit einem sauersioffhaltigen Gas, wie Luft, entstanden ist Das erhaltene Gemisch leitet man dann in eine Ruß bildende Zone, wo der als Ausgangsstoff dienende Kohlenwasserstoff in Ruß übergeführt wird. Das aus der Ruß bildenden Zotte ausströmende Gemisch wird dann abgeschreckt Schließlich trennt man den Ruß von den Gasen. Derartige Verfahren, sind iu Einzelheiten in den US-Patentschriften
Nr. 23 75 795, Nr. 25 90 660, Ϊ. r. 29 76 127, Nr. 30 09 784,

Nr. 30 09 787, Nr. 30 11 872, Nr. 31 03 148, Nr. 32 06 285,
Nr. 32 44 484, Nr. 33 07 911, Nr. 34 10 660, Nr. 34 60 911
beschrieben.

Eine der apparativen Schwierigkeiten bei diesem Verfahren besteht in der Einführung der a's Ausgangsstoff dienenden flüssigen Kohlenwasserstoffe in die Verbrennungsgase. Fachleute wissen, daß die Gewinnung eines guten Ofenrußes aus öl weitgehend davon abhängt, daß der Ausgangsstoff schnell und in Form gleichmäßiger Tröpfchen in· dem Verbrennungsgas verteilt wird. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der als Ausgangsstoff dienenden Kohlenwasserstoffe machen es aber leider schwierig, diese gleichmäßig und schnell in dem Verbrennungsgas zu verteilen. Aus wirtschaftlichen Gründen verwendet man als Ausgangsstoff in weitem Umfange die bei der Raffination von Erdöl anfallenden Rückstands-Teere. Diese Teere sind in der Regel sehr viskos und bestehen aus Gemischen von Alkylkohlenwasserstoffen und Arylkohlenwasserstoffen mit einem weiten Siedebereich. Wegen ihrer Viskosität sind solche Teere nur sehr schwierig gleichmäßig zu verteilen. Wegen des weiten Siedebereichs der Bestandteile können solche Teere auch nicht leicht verdampft werden. Einige der Bestandteile dieser Teere haben keine festen Siedepunkte und zersetzen sich eher, als daß sie verdampfen, wenn die Teere über etwa 370⁰C erhitzt warden. Verdampfungsverfahren für einfachere Flüssigkeitsgemische können also bei diesen Teeren nicht angewendet werden, weil gewisse Bestandteile von ihnen sich vor dem Verdampfen zersetzen und zu einer unerwünschten Koksbildung in der Vorrichtung führen.

Es sich auch schon Versuche gemacht worden, eine verbesserte Verteilung der genannten Ausgangsstoffe zu erreichen. So hat man die schweren Rückstands-Teere häufig auf Temperaturen vorerwärmt, bei welchen ein starker Abbau nicht stattfindet, um ihre Viskosität herabzusetzen und um ein leichteres Pumpen und Zerstäuben zu ermöglichen. Es sind auch schon verschiedene Düsen verwendet worden, die eine besonders gute Form für das jeweilige Verfahren haben sollen. Mit Hilfe dieser Düsen kann ein voller oder hohler Sprühkegel erreicht werden. Trotzdem entstehen bei Anwendung dieser Verfahren Schwierigkeiten durch Verstopfen, Koksbildung in den Vorrichtungen und ungleichmäßige Einführung der Ausgangsstoffe.

Die US-PS 27 68 067 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von Ruß, in der die zu verteilenden bzw. zu versprühenden Stoffe direkt in den Verbrennungsraum eingesprüht werden. Auch hierbei ist die Verteilung nicht Sj zufriedenstellend.

% In der NL-PS 67 17 709 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Querstromvermischung eines flüssigen

L· Rohstoffes mit einem Strom gasförmiger Verbrennungsprodukte insbesondere zur Rußherstellung beschrieben.

Ig 65 in welchem man in einer Verbrennungszone ein Gemisch von sehr heißen, oxydierenden Gasen mit ausreichcn-

i'j der Energie und unter ausreichendem Druck erzeugt, diesem Gasgemisch aufgrund seiner Energie und seines

|| Drucks mit sehr hoher Geschwindigkeit nahe Schallgeschwindigkeit in Form eines Stroms mit einem Quer-

fe! schnitt, der nur einen kleinen Teil des Querschnitts der langgestreckten, geschlossenen Hauptreaktionszone

beträgt und der axial in den zentralen Teil dieser Hauptreaktionszone gerichtet ist in die Hauptreaktionszone strömen läßt und senkrecht in den Kern der mit hoher Geschwindigkeit strömenden heißen Verbrennungsgase kurz vor dem Eintritt in die Hauptreaktionszone eine Vielzahl von Strömen des zu zersetzenden Ausgangsmaterials von Punkten um die Peripherie des Stroms der heißen Verbrennungsgase einspritzt

Die US-PS 28 51 337 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von Ofenruß aus einem flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff sowie flüssigen oder dampfförmigen Brennstoffen und Sauerstoff enthalten-,, den Gasen, bestehend aus einer Verbrennungszone, die einen Brenner mit einer perforierten Platte enthält,

hinter der ein Verteiler für die Brennstoffe angeordnet ist einer sich an die Verbrennungszone anschließenden Injektionszone mit Öffnungen in der Wand dm' Injektionszone, wobei die Öffnungen zu Einführvorrichtungen für den flüssigen Ausgangsstoff gehören, einer sich an die Injektionszone anschließende Reaktionszone und ' einer nachfolgenden Abschreckzone. Auch bei dieser Vorrichtung ist die Verteilung der Ausgangsstoffe noch

unbefriedigend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Verteilung der Ausgangsstoffe verbessert und die Verdampfung von viskosen Flüssigkeiten in feinster Verteilung zu ermöglichen, deren Bestandteile sehr unterschiedliche Siedepunkte aufweisen. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung, bei der ein Einlaß im Bereich der perforierten Platte für den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom tangential in die Verbrennungszone mündet, außerdem jede der Einführvorrichtungen für den flüssigen Ausgangsstoff einerseits einen Verteilerraum sowie eine in Richtung auf die Injektionszone davor angeordnete perforierte Platte und ; eine Verbrennungszone mit im Bereich der Platte angeordnetem Einlaß zur Bildung von Verbrennungsgasen aus

T Brennstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Gas in der Verbrennungszone aufweist und andererseits eine sich

■U. an die Verbrenmingszone anschließende Eintrittszone mit mindestens einer Öffnung zur Einführung des flüssi-

; ■; gen Ausgangsstoffs vorgesehen ist und jefc Eintrittszone eine Öffnung in die Injektionszone aufweist Die

K erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Einführen der Ausgangsstoffe in wirksamer, einfacher und

|£ störungsfreier Art Dabei können insbesondere Rückstands-Teere als Ausgangsstoff verwendet werden. Mit cer

*|l erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Ruß werden außergewöhnlich hohe Ausbeuten an Ruß

ψ der gewünschten Qualität erhalten.

ii Die Zeichnungen erläutern beispielsweise einige Ausführungsformen der Erfindung. Die

!:"' F i g. 1 zeigt im Längsschnitt eine Vorrichtung, mit Hilfe welcher die Herstellung von Ruß durchgeführt

I*) werden kann. Die

5k! F i g. 2 zeigt im vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch die Einführungsvorrichtung für den flüssigen

% Ausgangsstoff in einer Vorrichtung nach F i g. 1.

I? Die F i g. 1 und 2 zeigen, wie der Ausgangsstoff für die Herstellung von Ruß verteilt und/oder verdampft wird.

P In den Figuren sind zwei einander entgegengesetzt angeordnete Einführvorrichtungen 1000 gezeigt Nachste-

i| hend wird der Einfachheit halber die Wirkungsweise nur der einen Vorrichtung 1000 erläutert Jeder der

,§) Einführungsvorrichtungen 1000 weist einerseits einen Verteilerraum 80 sowie eine in Richtung auf die Injek-

|l tionszone 350 davor angeordnete perforierte Platte 60 und eine Verbrennungszone 10 mit im Bereich der Platte

Ö 60 angeordnetem Einlaß 160 zur Bildung von Verbrennungsgasen aus Brennstoff und einem Sauerstoff enthal-

|j tenden Gas in der Verbrennungszone 10 auf. Leitungen 120 und 110 sind zum Verteilerraum 80 und zur

'§ Verbrennungszone 10 vorgesehen. In der Verbrennungszone 10 findet die Verbrennung eines flüssigen Brehn-

» stoffes mit ;inem Sauerstoff enthaltenden Gas statt. Der Gasstrom wird an der Öffnung 90 für den Ausgangsstoff

§1 vorbeigeführt. Die Öffnung 90 hat eine nicht eingeschnürte Eirtrittszone, durch welche der im wesentlichen aus

|| flüssigem Kohlenwasserstoff bestehende Ausgangsstoff praktisch quer zu dem Strom der Verbrennungsgase in

$} der Eintrittszone 20 eingeführt wird. Der Ausdruck »Querrichtung« bedeutet daß die Flüssigkeit in einem

Il Winkel zwischen etwa 45° und etwa 135° zu der Längsachse der Eintrittszone 20 eingeführt wird. Das Einführen

!| des Ausgangsstoffes in einem Winkel zwischen 45° und etwa 95° zu der Längsachse der Eintrittszone 20 wird

IÜ bevorzug';. Anstelle der dargestellten einzigen Öffnung 90 können auch mehrere solche Eintrittsöffnungen um

|| die Einti iüszone 20 herum angeordnet sein, aus denen radial mehrere zusammenhängende Ströme des flüssigen

Il Kohlenwasserstoffes vom Umfang her in der Eintrittszone 20 in die Verbrennungsgase eintreten können. Wenn

fj der Durchmesser der Eintrittszone 20 größer als etwa 13 mm ist, ist es zweckmäßig, zur gleichmäßigen Vertei-

|| lung und Einführung der Ausgangsstoffe mehrere solcher Öffnungen zu verwenden.

|| Die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase müssen so geregelt sein, daß sie

If der Art ur«d der Zuführungsgeschwindigkeit der zu verteilenden und/oder zu verdampfenden Flüssigkeit, und

I^ den Abmessungen der verwendeten Vorrichtung entsprechen.

Iy Daß die flüssigen Ausgangsstoffe in Form eines oder mehrerer zusammenhängender Strahlen vom Umfang

;.·'; her in den Stroir. der Verbrennungsgase eingeführt werden, bietet verschiedene Vorteile. Weil die Strahleil

^1: zusammenhängend sind, sind keine Hindernisse oder Prallbleche erforderlich, die das Einströmen der Ausgangsstoffe in das Verbrennungsgase hindern. Das ist besonders dann von Vorteil, wenn die zu verarbeitende ; Flüssigkeit viskos ist oder Feststoffe enthält, welche die bisher verwendeten üblichen Sprühdüsen verunreinigen

i¹"- könnten.

:';. Um den eingeführten zusammenhängenden Strahl oder die Strahlen des flüssigen Ausgangsstoffes schnell und

wirksam aufzuteilen, ist es wichtig, daß der Strom der Verbrennungsgase durch die Eintrittszone 20 eine hohe Geschwindigkeit hat.

Unabhängig von der Zahl der eingeführten zusammenhängenden Strahlen des Ausgangsstoffe«; ist es wichtig, daß diese Strahlen in den Strom der Verbrennungsgase so eindringen, daß sie vor der innigen Mischung mit den Verbrennungsgasen die Wandungen der Vorrichtung nicht oder nur unweseiit'ich berühren. Dieser Zustand wird beispielsweise erreicht durch Regelung der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase dort, wo die Ausgangsstoffe eingeführt werden, durch die Form und die Abmessung der Vorrichtung, durch die Form und Anzahl der Öffnungen für die Einführung der Flüssigkeit, durch die Menge der eingeführten Flüssigkeit, durch

den hierzu verwendeten Druck. Diese Bedingungen können entsprechend dem Wissen des Fachmanns durch Regelung einer oder mehrerer der genanten Variablen geändert werden. Das Einführen von zusammenhängenden Flüssigkeitsstrahlen des Ausgangsstoffes in die Verbrennungsgase ist wahrscheinlich unter anderem eine direkte Funktion der Strömungsgeschwindigkeiten und der kinetischen Energien der Verbrennungsgase und der flüssigen Ausgangsstoffe. Man kann beispielsweise die Verbrennung in den Zonen 10 nach den Fig. I und 2 durch Zufuhr des Brennstoffes oder des Oxydationsmittels regeln. Auch die Form der Vorrichtung hat eine wesentliche Bedeutung für die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase. Beim Hindurchführen der Verbrennungsgase durch eine verengte Leitung, zum Beispiel durch die Eintrittszonen 20 nach den F i g. 1 und 2, kann eine erhebliche Beschleunigung erreicht werden. Bei dieser besonderen Ausführungsform der Vorrichtung

to werden die zusammenhängenden Flüssigkeitsstrahlen durch Leitungen 100 in die Eintrittszonen 20 mit einem verengten Querschnitt eingeführt, wo die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase aus den Verbrennungszonen 10 ihren Höchstwert erreicht. Unter diesen Bedingungen wird der flüssige Ausgangsstoff innerhalb etwa 10 Millisekunden nach dem Einführen in den Strom des Verbrennungsgases verteilt. In der Regel ist die benötigte Zeitdauer erheblich geringer und liegt bei weniger als etwa einer Millisekunde. Die sehr schnelle

f> Verteilung erlaubt es, auch solche flüssigen Kohlenwasserstoffe zu verwenden, die wie zum Beispiel schwere Rückstands-Teere üblicherweise durch die hohen Temperaturen geändert oder zersetzt würden.

Es wurde ferner überraschenderweise gefunden, daß die Ausbeuten an Ruß, der unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt wird, erheblich höher liegen, als bei ähnlichen Vorrichtungen, bei welchen andere Mittel zur Verteilung angewendet werden. Diese erhöhte Ausbeute trägt dazu bei, die Vorrichtung noch wirtschaftlicher zu machen. Vergleiche hierüber sind in dem nachstehenden Beispiel enthalten.

Nach der schnellen Verteilung der eingeführten Flüssigkeitsstrahlen findet eine weitere Verteilung oder Verdampfung der Flüssigkeitströpfchen durch die Wärme der Verbrennungsgase statt. Diese Tröpfchen sind jetzt umgeben von heißen Verbrennungsgasen, wodurch ihre Größe durch wenigstens teilweise Verdampfung bei den hohen Temperaturen abnimmt. Um das zu erreichen, sollten die Verbrennungsgase einen Wärmeinhalt von wenigstens 1 · lO'Joule/St./cm³, vorzugsweise von mehr als 50 · 10* Joule/St^cm³ haben.

Als Oxydationsmittel bei der Verbrennung wird vorzugsweise molekularer Sauerstoff verwendet. Man kann also Luft oder andere Gase mit wenigstens etwa 20 Volumprozent molekularem Sauerstoff verwenden. Um die Vorrichtung besser auszunutzen, und um das Verfahren besser anpassen zu können, verwendet man aber häufig Oxydationsmittel mit einem höheren Gehalt an molekularem Sauerstoff. Das oxydierende Gas enthält daher vorzugsweise wenigstens etwa 50 Volumprozent molekularen Sauerstoffs. Solche sauerstoffhaltigen Gase sind heutzutage leicht erhältlich, und enthalten in der Regel 95 Volumprozent molekularen Sauerstoff oder darüber.

Als flüssigen Brennstoff kann man leicht verbrennbare Dämpfe oder Flüssigkeiten oder Gemische hiervon verwenden, wie beispielsweise Wasserstoff, Kohlenmonoxyd, Methan, Acetylen, Alkohole, Benzin. In der Regel sind solche Brennstoffe vorzuziehen, die, wie insbesondere Kohlenwasserstoffe, einer, hohen Gehalt an Kohienstoff haben. An Methan reiches Erdgas oder modifizierte oder angereicherte Erdgase sind beispielsweise ausgezeichnete Brennstoffe, ebenso wie andere an Kohlenwasserstoff reiche Gase, wie Petroleumgase, Flüssigkeiten und Nebenprodukte der Raffination von Kohlenwasserstoffen mit zwei bis etwa vier oder fünf Kohlenstoffatomen im Moieküi und Heizöle. Die schweren und viskoseren Teere ur.d Rückstandsöle sollten als Brennstoff nur dann verwendet werden, wenn man als Oxydationsmittel reinen Sauerstoff oder an Sauerstoff reiche Gasgemische verwendet, und wenn diese Brennstoffe verdünnt oder ihre Viskosität in anderer Weise herabgesetzt ist, um eine vollständige Verbrennung innerhalb der Verbrennungszone zu erreichen.

Das Mengenverhältnis von Brennstoff und Oxydationsmittel,die in die Verbrennungszone 10 nach den F i g. 1 und 2 eingeführt werden, kann so eingestellt sein, daß das Oxydationsmittel zwischen etwa 50 und etwa 500 Prozent derjenigen Sauerstoffmenge enthält, die für die vollständige Verbrennung des Brennstoffes erforderlich ist. Vorzugsweise enthält das Oxydationsmittel zwischen etwa 80 und etwa 350 Prozent derjenigen Sauerstoffmenge, die zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes unter Bildung von Kohlendioxyd erforderlich ist. Die Temperatur der Verbrennung kann auch geregelt werden d'jrch Einstellung des Verhältnisses von Brennstoff zum Sauerstoff, durch Regelung der Einführungsgeschwindigkeit des Brennstoffes, oder durch zusätzliches Einführen geringerer Mengen eines inerten Gases, wie Kohlendioxyd oder Stickstoff, in die Verbrennungszone.

so Wenn das Oxydationsmittel mehr Sauerstoff enthält als zum vollständigen Verbrennen des Brennstoffes erforderlich ist, und wenn die zu verdampfende oder zu zerstäubende Flüssigkeit verbrennbar, zum Beispiel ein

kohlenwasserstoffhaltiges Öl oder ein Teer ist, so reagiert dieser Ausgangsstoff nach dem Einführen in die Verbrennungsgase mit dem restlichen freien Sauerstoff.

Wenn ein verteilter und/oder verdampfter Kohlenwasserstoff in Ruß übergeführt werden soll, so muß er mit einem heißen Verbrennungsgas und/oder einem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom in Berührung gebracht werden. Diese Mischung geschieht nach den Fig. 1 und 2, innerhalb der Injektionszone 350. Verwendet man einen sauerstoffhaltigen Gasstrom, so braucht dieser nicht vorerhitzt zu sein. In der Regel verwendet man aber einen heißen Strom von Verbrennungsgasen. Die Verbrennungszone 200 enthält daher einen Brenner. Bei dieser Verbrennung wird ein flüssiger Brennstoff wie flüssiges Methan durch die Leitung 220 in den Verteiler 230

geleitet Wenn der Brennstoff ein Gas ist, wird er vorzugsweise durch die Öffnungen 260 der perforierten Platte 250 in die Verbrennungszone 200 geführt. Ein Sauerstoff enthaltender Gasstrom, zum Beispiel Luft, wird durch die Leitung 210 und den Einlaß 240 in die Zone 200 eingeführt. Zum Stabilisieren der Verbrennung wird der sauerstoffhaltige Gasstrom vorzugsweise tangential in die Verbrennungszone 200 eingeleitet, wo er durch Rotieren die Verbrennungsreaktion stabilisiert

Nach der Einführung eines Stromes aus dem Verbrennungsprodukt und/oder aus dem Sauerstoff enthaltenden Gas in die Verbrennungszone 200 führt man diesen Strom durch die !njektionszone 350. Dort wird der flüssige im wesentlichen aus Kohlenwasserstoff bestehende Ausgangsstoff quer durch die öffnungen 150 in den Gasstrom eingeführt. Dieses Einführen in Querrichtung geschieht in einem Winkel von etwa 45° bis zu etwa

135° jeweils in stromabwärts liegender Richtung zu der Längsachse der Injektionszone 350. Innerhalb der Wandungen der Einführ-Vorrichtung 1000 wird der Ausgangsstoff verteilt. Man kann zwar auch nur eine Einführ-Vorrichtung 1000 verwenden, vorzugsweise sind aber wenigstens zwei solcher Vorrichtungen so angeordnet, daß sie d^;e Ausgangsstoffe in der gleichen Ebene in den Umfang der Verbrenntingsgase und/oder der Sauerstoff enthaltenden Gase in der lnjektions/onc 350 einführen.

Wenn man eine Verbrennung in der Verbrennungszone 200 stattfinden läßt, können die Mengenverhältnisse von Brennstoff und Sauerstoff enthaltendem Gas, die in die Verbrennungszone 200 eingeführt werden, so geregelt werden, daß dort zwischen etwa 50 und etwa 500 Prozent für die vollständige Verbrennung des flüssigeri Brennstoffs erforderlichen Sauerstoffs zugegen sind. Wenn die Sauerstoffmenge unter 100% der slöchiometrisch erforderlichen Menge liegt, enthält das Verbrennungsgas wenig oder keinen molekularen Sauerstoff. Auch diese heißen Verbrennungsgase dienen zur Umwandlung des in sie eingeführten verteilten Ausgangsstoffes. Wenn man die Verbrennung so führt, daß Sauerstoffmengen von mehr als 100% der stöchiometrischen Mengen verwendet werden, so enthält das Verbrennungsgas freien molekularen Sauerstoff, der mit einem Teil des zerstäubten Ausgangsstoffes reagiert. Vorzugsweise hält man die Sauerstoffkonzentration zwischen etwa 80 und etwa 350% derjenigen Menge, die zur vollständigen Verbrennung des flüssigen Brennstoffes theoretisch erforderlich ist. Die Temperatur der Verbrennung kann geregelt werden durch Regelung des Verhältnisses von Brennstoff zum Sauerstoff, durch die Zuführgeschwindigkeit des Brennstoffes oder durch zusätzliches Einführen entsprechender Mengen inerter Gase, wie Kohlendioxyd oder Stickstoff.

Zur Gewinnung von Ruß ist es ferner erforderlich, daß sich der als Ausgangsstoff dienende Kohlenwasserstoff in einer Umgebung mit einer Temperatur über etwa 1300°C, vorzugsweise über etwa 1650°C, in der Ruß bildenden Zone befindet. Die Gesamtwärme, die durch die Verbrennungen in den Verbrennungszonen 10 und 200 entsteht, sollte in der Regel genügen, um das Reaktionsgemisch über etwa 1300°C zu erhitzen. Das ist besonders dann wichtig, wenn das Verbrennungsgas keinen freien molekularen Sauerstoff enthält. Bei Verwendung von überschüssigem Sauerstoff in der Verbrennungszone genügt es häufig, daß das Verbrennungsgas eine Temperatur von weniger als !300⁰C hat. wobei eine Temperatursteigerung durch Umsetzung eines Teiles des verteilten Ausgangsstoffes mit dem überschüssigen Sauerstoff erreicht wird.

Das Reaktionsgemisch in der Injektionszone 350 nach den F i g. 1 und 2 befindet sich daher in einem solchen Zustand, bei welchem Ruß entstehen kann. Hierzu ist weiterhin nur erforderlich, daß eine genügende Verweilzeit in der Ruß bildenden Zone vorgesehen wird, um diesen entstehen zu lassen. Man kann das Reaktionsgemisch vom unteren Ende 410 der Injektionszone 350 in eine Reaktionszone 510 abziehen. Nach der F i g. 1 steht die ReaVtionskammer 450 in offener Verbindung mit dem stromabwärts befindlichen Ende der Injektionszone 350. Die Reaktionszone 510 sollte im allgemeinen keine Hindernisse enthalten und im Querschnitt größer sein, als das stromabwärts befindliche Ende 410 der Injektionszone 350. Das stromaufwärts befindliche Ende der Reaktionszone 510 sollte einen mehrere Male, beispielsweise vier Male, größeren Querschnitt haben als das stromabwärts befindliche Ende 410 der Injektionszone 350. Die gewünschte Verweilzeit zur Bildung von Ruß unter den gegebenen Arbeitsbedingungen kann daher geregelt werden durch eine geeignete Wahl der Länge und des Querschnittes der Reaktionszone 510. Die genaue Verweilzeit für jeden Fall hängt natürlich auch ab von den jeweiligen Reaktionsbedingungen und von der Art des herzustellenden RuSes. Bei dem eriinuuugsgernäßen Verfahren genügt in Regel eine Verweilzeit von weniger als etwa 1 Millisekunde bis zu mehreren Sekunden, vorzugsweise von 1 bis 100 Millisekunden, für die meisten üblichen Ruße.

Um die Rußbildung zu beenden, sind Sprühdüsen 610 an geeigneten Stellen der Abschreckungszone 550 angeordnet. In der F i g. 1 sind zwei solcher Sprühdüsen 610 dargestellt. Die zu versprühende Flüssigkeit, in der Regel Wasser, wird diesen Sprühdüsen 610 durch die Leitungen 620 zugeführt. Die Bildung von Ruß wird durch das Abschrecken unterbrochen, und das die Abschreckungszone 550 verlassende Gemisch besteht aus einem heißen Aerosol von Ruß, der in dem Verbrennungsgas suspendiert ist. Nach dem Verlassen der Zone 550 wird das Aerosol durch weiteres Kühlen und Abtrennen der Festteilchen in üblicher Weise weiter behandelt.

Die Reaktionskammer 450 kann aus den üblichen feuerfesten Stoffen gebaut sein. Vorzuziehen ist es aber, daß die gesamte Vorrichtung zur Herstellung von Ruß aus einem Stoff mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit, zum Beispiel aus Metall, besteht und daß Kühlmäntel 50, 290, 400,500 und 600 vorgesehen sind, durch welche während des Betriebes ein geeignetes Kühlmittel wie Wasser im Kreislauf geleitet werden kann, wozu die Einlaßöffnungen und Auslaßöffnungen 130 und 140, 300 und 310,360 und 370.460 und 470,560 und 570 dienen. Die zuvor genannten Kühlmäntel sind zwischen den Wänder. 30 und 40, 2.70 und 280,380 und 390.480 und 490 sowie 580 und 590 angeordnet.

Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wurde eine Vorrichtung nach den F i g. 1 und 2 verwendet. Die wichtigsten Abmessungen waren die folgenden:

Verbrennungszone 200

Innerer Durchmesser der Verbrennungszone 200 20,5 mm

Gesamtlänge, gemessen von der Mitte der Platte 250 122 cm

Länge, gemessen von der Mitte des Einlasses 240 9,4 cm

Injektionszone 350

Innerer Durchmesser der Injektionszone 350 20,5 mm

Gesamtlänge von Flansch zu Flansch i 52 ern

Durchmesser der Öffnung 150 6,5 mm

Abstand der Öffnung 150 vom stromabwärts liegenden Ende 410 3.8 cm

Einführvorrichtung 1000

Innerer Durchmesser der Verbrennungszone 10 9,5 mm

Durchmesser der Eintrittszone 20 6,5 mm

Gesamtlänge von der Platte 60 bis zur öffnung 150 6,6 cm

Länge der Eintrittszone 20 3,2 cm

Durchmesser der öffnung 90 0,65 mm

Abstand dei öffnung 90 zur öffnung 150 2,5 cm

Abstand von der Mitte der Platte 60 zur Mitte des Einlasses 160 1,3 cm

ίο Reaktionskammer 450

Siehe Tabelle I (2. Fortsetzung).

Abschreckungszone 550

Gesamtlänge von Flansch zu Flansch 15,2 cm

Abstand der Sprühdüsen 610 von dem stromaufwärts liegenden Flansch 7,6 cm

Die folgende Tabelle I enthält die Variablen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Verfahrensbedingungen für jeden Versuch zur Herstellung von Ruß ebenso wie die Ausbeuten, die Oberflächen und die Eigenschaften der erhaltenen Ruße. Die Versuche 14 und 15 entsprechen nicht der vorliegenden Erfindung und sind nur zum Zwecke des Vergleiches angeführt. Bei diesen Versuchen wurde der flüssige Ausgangsstoff mittels der üblichen Zerstäubungsverfahren in den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom in der Injektionszone 350 eingeführt. Bei den Versuchen 14 und 15 waren die Einführvorrichtungen 1000 vollständig entfernt und ersetzt durch übliche Düsen. Vergleicht man das Ergebnis dieser Versuche beispielsweise mit den Ergebnissen der Versuche und 13, bei denen ähnliche Ruße erzeugt wurden, so sieht man, welche Verbesserungen die Erfindung mit sich bringt.

Bei allen Versuchen wurde Sauerstoff als Oxydationsmittel, Methan als Brennstoff und Stickstoff als inertes Verdünnungsmittel verwendet.

Als flüssiger Ausgangsstoff, der durch die öffnungen 90 eingeführt wurde, wurde ein Rückstand-Teer von dem katalytischen Cracken einer Erdölraffination verwendet, der die nachstehenden Eigenschaften hat:

API-Schwere bei 15,6°C(ASTM-D-287) -4,5

Spezifisches Gewicht bei 15,6⁰C(ASTM-D-287) 1,092

Viskosität (SSU) bei 54°C (ASTM-D-88) 516,2

Viskosität (SSU) bei 99° C (ASTM-D-88) 61,4

Gehalt an Kohlenstoff, Gewichtsprozent 90,87

Gehalt an Wasserstoff, Gewichtsprozent 7,4

Gehalt an Schwefel, Gewichtsprozent 1,98

In der Tabelle I ist die Ausbeute an Ruß in Prozent, bezogen auf die Menge des eingeführten Kohlenstoffes, ausgedrückt.

Tabelle I

Versuch Nr.	Verbrennungszone 200	zugeführte Menge	Verhältnis von	Stickstoff als
	zugeführte Menge	Sauerstoff	Sauerstoff zum	Verdünnungsmittel
	Brennstoff	m³/St.	Brennstoff (°/c;	m³/St.
	mVSL	45,8	150	22,1
1	153	48,1	180	22,4
2	13,4	39,6	213	22,6
3	93	39,6	300	22,6
4	6,6	31,7	160	22.6
5	9,9	39,6	148	22,6
6	13,4	39,6	148	22,6
7	13,4	39,6	148	22,6
8	13.4	39,6	216	22,6
9	93	42,4	—	22,6
10	—	42,4	—	22,6
11	—	39,6	160	22,6
12	12,4	39,6	213	22,6
13	93	57,5	160	22,4
14	17,7	56,6	155	22,4
15	18.2

Tabelle I (!.Fortsetzung)

Zugeführte Mengen zu jedem der Cinführvorrichtungen 1000

Versuch Nr.	zugeführte Menge	Durchmesser — Länge	/ugcführte Menge	Verhältnis von	zugeführte Menge des	Oberfläche
	Brennstoff	(cm)	Sauerstoff	Sauerstoff zum	flüssigen Ausgangsstoffes	mVg
	m^J/St.		mVSt.	brennstoff (%)	mVSt.
1	2,4		9,3	190	4,05
2	4,2	5,1- 30.4	8.5	100	4.05	121
3	8,5	5,1- 30,4	17,0	100	4,81	124
4	4,2	5.1- 30.4	6,8	80	3,79	131
5	4,2	5,1- 30.4	13.6	160	3,51	148
6	4,2	5,1- 30.4	17,0	200	4,42	156
7	4,2	5.1- 60,8	17,0	200	3,82	3)0
8	4,2	5,1- 60.8	17,0	200	4,53	428
9	8,5	7,6- 60.8	17,0	100	4.70	124
!0	10,6	7,6- 60,8	17.0	80	3.90	129
ti	12,5	5.1- 15.2	19,8	80	5,24	137
12	5.3	5,1- 15,2	17.0	160	4.70	126
13	8,5	5.1- 30.4	17,0	100	4,70	178
14		5,1- 60,8		*	4,13	154
15	*	2,5-121,6	*	*	3,62	162
Tabe.le 1	(2. Fortsetzung)	5,1- 60,8				161
Ruß bildende Reaktionszone 450
Versuch Ni	Verweilzeit zwischen der
	öffnung 150 und den Sprüh
	düsen 610
	Millisekunden
1	2,6
2	2,6
3	2,7
4	3,4
5	3,7
6	5,5
7	6,0
8	12,8
9	12,9
10	2.2
11	1,8
12	2,6
13	6.0	Eigenschaften des Endproduktes
14	2,5	Ausbeute an RuB
15	5,0	%


	30,5
	28,9
	25,4
	28,0
	28,5
	36,6
	26,2
	48,8
	46,2
	36,1
	39,2
	51,2
	47,2
	44,0
	39,5

Die Beispiele zeigen, daß man innerhalb eines weiten Bereiches von Arbeitsbedingungen verschiedene Ruße,
auch solche mit sehr geringen Teilchengrößen in unerwartet hohen Ausbeuten herstellen kann.

Anstelle des verwendeten Ausgangsstoffes können auch andere im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen
bestehende Flüssigkeiten zur Herstellung von Ruß verwendet werden. Ebenso kann man auch andere Kombinationen von sauerstoffhaltigen Gasen und flüssigen Brennstoffen verwenden.

Die hergestellten Ruße können für viele Zwecke gebraucht werden. Dazu gehören auch die üblichen Verwendungszwecke als Ve; Stärkungsmittel, Füllstoffe, Pigmente, Stabilisatoren gegen kurzwellige Strahlung in Kautschuk, Kunststoffen, Farben, Lacken und Druckfarben.

Man kann die hergestellten Ruße auch nachbehandeln, um sie ihrem Verwendungszweck besser anzupassen.
Man kann sie beispielsweise in nassem oder trockenem Zustande zu Pellets verformen, sie durch Behandlung mit
Ozon, Luft, oxydierenden Mineralsäuren teilweise oxydieren, durch Erhitzen in Graphit überführen, mit Dampf
behandeln oder mahlen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Herstellung von Ofenruß aus einem flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff sowie flüssigen oder dampfförmigen Brennstoffen und Sauerstoff enthaltenden Gasen, bestehend aus einer Verbrennungszone, die einen Brenner mit einer perforierten Platte enthält, hinter der ein Verteiler für die Brennstoffe angeordnet ist einer sich an die Verbrennungszone anschließenden Injektionszone mit öffnungen in der Wand der Injektionszone, wobei die" Öffnungen zu Einführvorrichtungen für den flüssigen Ausgangsstoff gehören, einer sich an die Injektionszone anschließenden Reaktionszone und einer nachfolgenden Abschreckzone, dadurchgekennzeichnet, daß ein Einlaß (240) im Bereich der perforierten

ίο Platte (250) für den Sauerstoff enthaltenden Gasstrom tangential in die Verbrennungszone (200) mündet, außerdem jede der Einführvorrichtungen (1000) für den flüssigen Ausgangsstoff einerseits einen Verteilerraum (80) sowie eine in Richtung auf die Injektionszone (350) davor angeordnete perforierte Platte (60) und eine Verbrennungszone (t0) mit im Bereich der Platte (60) angeordnetem Einlaß (160) zur Bildung von Verbrennungsgasen aus Brennstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Gas in der Verbrennungszone (10) aufweist und andererseits eine sich an die Verbrennungszone (10) anschließende Eintrittszone (20) mit mindestens einer öffnung (90) zur Einführung des flüssigen Ausgangsstoffs vorgesehen ist und jede Eintrittszone (20) eine öffnung (150) in die Injektionszone (350) aufweist.