DE2729400C3

DE2729400C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von RuB

Info

Publication number: DE2729400C3
Application number: DE2729400A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kenneth Bartlesville Okla. Austin (V.St.A.)
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1976-06-29
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1980-09-11
Also published as: DE2729400A1; ES460229A1; ZA773432B; DE2729400B2; SE7707439L; DE7720439U1; JPS5527112B2; AU2594077A; IT1075846B; GB1582196A; TR19629A; US4134966A; FR2356701A1; IN144990B; MX146066A; AU500325B2; FR2356701B1; BR7704035A; JPS533990A

Description

Beschreibung

Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Ausbildung eines länglichen Rußherstellungsofens, der an einem Ende eine Vorverbrennungszone aufweist, in welche doppelt zwei separate unabhängige Materialströme aus Verbiennungsgasen oder Stoffen zur Erzeugung von Verbrennungsgasen, die unterschiedliche Temperaturen und/oder Zusammensetzungen aufweisen, mit Hilfe von Einrichtungen am Umfang oder außen und nicht am Umfang oder Inneneinlässe, Rohre oder Einlasse ganz allgemein eingespeist werden, wobei ein Schutzschleier aus relativ kühlem Gas in der Nähe der Wandungen der Vorverbrennungszone oder des Reaktors erzeugt wird, während gleichzeitig mit Hilfe eines solchen Schutzschleiers aus Heißgasen die Einführung oder in situ Herstellung von relativ wesentlich heißeren Verbrennungsgasen ermöglicht werden soll, welche ein solches Luft-Brennstoff-Gemischverhältnis aufweisen, daß das als Ausgangsmaterial dienende öl oder Gas, aus welchem der Ruß hergestellt werden soll, schlagartig einer extrem hohen Temperatur ausgesetzt werden und ein sofort verfügbarer Wärmeinhalt vorhanden ist, so dall höhere

Ausbeuten an Ruß aus dem Ausgangsmaterial, wie öl oder Gas, erzielbar sind, während die Ofenkonstruktion und deren Aufbau geschützt ist

Vorzugsweise befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Herstellen von Ruß sowie zum Betreiben einer Vorrichtung, wie ein Reaktor, Ofen od. dgl, zur Herstellung von Ruß, b·;: welchem in die Vorverbrennungszone zur Bildung eines Schutzschleiers am Umfang und in der Nähe der Wandungen ein relativ kälteres Verbrennungsgas, das in situ erzeugt werden kann, eingespritzt wird, während in das längs des Umfangs verteilte Gas ein wesentlich heißeres Gas mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis und einem Wärmeinhalt derart eingespritzt wird, daß bei entsprechenden Mengenverhältnissen das Ausgangsmaterial, wie Öl oder Gas, bei höheren Ausbeuten in Ruß umgewandelt wird. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Ausbildung einer Vorverbrennungszone.

In der US-PS 34 31075 sind die Grundlagen des Rußherstellungsverfahrens beschrieben, jei welchem mehrere Ströme heißer Verbrennungsgase, die man von der Verbrennung von brennbaren Mischungen aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger erhält, in eine ungefähr zylinderförmig ausgebildete erste Zone eingespeist werden, deren . Durchmesser größer als ihre Länge ist, ein Ausgangsmaterial aus Kohlenwasserstoff längs der Längsachse der ersten Zone eingespeist wird, die von einem sich bewegenden Schutzschleier aus einem heißen Verbrennungsgas umgeben ist, das Ausgangsmaterial in eine axial ausgerichtete, nahezu zylinderförmig ausgebildete zweite Zone gelangt, deren Länge größer als ihr Durchmesser ist, und bei dem das Rußerzeugnis aus dem gasförmigen Abstrom aus der zweiten Zone erzeugt wird. Gemäß dieser Patentschrift wird vorgeschlagen, wenigstens einen der Ströme heißer Gase dadurch zu erzeugen, daß eine brennbare Mischung aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger verbrannt wird, welche den Sauerstoffträger in einer Menge enthält, die kleiner als die stöchiometrische ι Menge zum Verbrennen des Brennstoffes ist, und daß wenigstens ein weiterer Strom heißer Verbrennungsgase dadurch erzeugt wird, daß eine brennbare Mischung aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger verbrannt wird, die den Sauerstoffträ- ; ger in einer Menge enthält, die größer als die stöchiometrische Menge zum Verbrennen des Brennstoffes ist.

In der US-FS 34 31075 wird vorgeschlagen, als Ausgangsmaterial bestimmtes öl über ein Rohr 15 in die Zone 13 einzuleiten. Ebenfalls wird in die Zone 13 mit Hilfe von Leitungen 17 und 17' ein Gemisch aus Luft und Brennstoff eingespeist. Die Leitungen sind in dieser Patentschrift als tangentiale Einlaßdurchlässe ausgebildet. Ebenfalls wird in die Zone 13 über Leitungen 18 und 18' ein Luft-Brennstoff-Gemisch radial eingespeist. Die Luft-Brennstoff-Verhältnisse des bei 17 und 17' tangential eingespeisten und des bei 18 und 18' radial eingespeisten Gemisches sollen vorzugsweise unterschiedlich sein. .

In der Patentschrift ist weiterhin beschrieben, daß sich die Ausbeute an Ruß ·' !j· .t. verbessern läßt, daß man in die Zone 13. die als erste Zone bezeichnet ist, wenigstens einen Strom heißer Verbrennungsgase einleitet, die man durch Verbrennen eines brennbaren . Gemisches aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger erhält, dessen Menge an Sauerstoffträger kleiner ali. die zur Verbrennung des Brennstoffes erforderliche stöchiometrische Menge ist, und daß man in diese erste Zone wenigstens einen weiteren Strom heißer Verbrennungsgase einleitet, welchen man durch Verbrennen eines brennbaren

ι Gemisches aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger erhält, dessen Menge an Sauerstoffträger größer als die zur Verbrennung des Brennstoffes erforderliche stöchiometrische Menge ist. Bei einer solchen Betriebsweise ergibt rieh die Bildung

ι einer neuen Verbrennungs- und Wärmefreisetzungszone, die in der ersten Zone stromab von den Einleitungsstellen der heißen Verbrennungsgase und in der Umgebung des axialen Strömungsweges des als Ausgangsmaterial bestimmten Kohlenwasserstoffes bil-

, det Die neue Verbrennungs- und Wärmefreisetzzone bildet sich dann, wenn die heißen Verbrennungsgase, die überschüssigen Brennstoff enthalten, in Berührung mit den heißen Verbrennungsgasen kommen, die den Sauerstoffträger in einer überschüssigen Menge enthalten, so daß der überschüssige Brennstoff verbrannt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch die Einspeisung in doppelter Form Ströme eingeleitet, die bei der Einleitung nahezu parallel sind. Einer der Ströme, welcher durch den äußeren Einlaß eintritt, neigt dazu, in der Umgebung der Wandung der Vorverbrennungszone zu strömen, während der andere Strom dazu neigt, von der Wandung durch den ersten eingeleiteten, nun in Umfangsrichtung verlaufenden Strom abgedeckt zu werden.

Während die Luft-Brennstoff-Verhältnisse der doppelt eingespeisten Ströme gemäß der Erfindung vorzugsweise und insbesondere unterschiedliche sein können, ist das Luft-Brennstoff-Verhältnis des inneren Stromes so gewählt, daß sofort bei der Berührung mit dem Ausgangsmaterial, wie öl oder Gas, die optimale Rußumwandlungstemperatur und die hierfür erforderliche Wärmemenge vorhanden sind. Dies erzielt man gleichzeitig mit einem Schutz der Wandungen der Vorverbrennungszone, die hochstandfeste Teile, wie z. B. einen oberen Überhang, enthält, die zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem tangentialen Durchlaß und der Vorverbrennungskammer des an sich bekannten Ofens erforderlich sind.

Die Erfindung zielt darauf ab, einen Rußerzeugungsreaktor so auszubilden und zu betreiben, daß die Reaktorwandung geschützt wird, während gleichzeitig die optimale Temperatur und Wärmemenge in den Verbrennungsgasen zur Erzeugung von Ruß vorhanden sind, welche auf das als Ausgangsmaterial bestimmte öl oder Gas direkt ohne eine beträchtliche Vermischung mit irgendwelchen anderen Luft-Brennstoffmassen trifft.

Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Herstellen von Ruß, wobei ein flüssiges oder gasförmiges Kohlenwasserstoffbeschickungsmateria! axial an einem Ende eines Rußofens eingespeist, in Umfangsrichtung in der Nahe dieses Endes heißes Verbrennungsgas eingeleitet und der im Ofen erzeugte Ruß vom anderen Ende abgezogen wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in Umfangsrichtung zwei heiße Verbrennungsgasströme eingeführt werden, nämlich ein erster heißer Verbrennungsgasstrom und ein zweiter heißer Verbrennungsgasstrom, der wesentlich heißer als der erste Verbrennungsgasstrom ist, wobei der erste heiße Verbrennungsgasstrom radial weiter außerhalb als der zweite heiße Verbrennungsgasstrom eingeführt wird, um so zwei Ströme von heißen Verbrennungsga-

sen zu bilden, die bezüglich der Längsachse des Durchlasses ineinander liegen, und daß das erste heiße Verbrennungsgas einen Schutzschleier zwischen der Wand des Durchlasses und dem zweiten heißen Verbrennungsgasstrom bildet, wobei der zweite heiße Verbrennurcsgasstrom bei einer Temperatur, in einer Menge und Qualität vorliegt, daß das Kohlenwasserstoffbeschickungsmaterial sofort Bedingungen zur Bildung von Ruß unterworfen wird.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren geschaffen, bei welchem zum Betreiben der Vorrichtung durch die Innenseite oder den inneren Zustrom eines heißen Verbrennungsgases, das bei der Berührung mit dem als Ausgangsmaterial bestimmten Öl oder Gas eine optimale Temperatur erzeugt, schlagartig eine ausrei- is chende und notwendige Wärmemenge bei einer optimalen Temperatur zum Erzeugen vergrößerter Ausbeuten an Ruß verfügbar ist.

Vorzugsweise umfaßt der Aufbau einer Vorverbrennungszone erfindungsgemäß geformte Keramikteile, wodurch der Aufbau, die Betriebsweise und die Wartung vereinfacht werden, und insbesondere umfaßt der Aufbau quadratisch ausgeformte Teile, in denen Zylinder (Kreisöffnungen) ausgeformt oder vorgesehen sein können, um eine tangentiale Einleitung zu erzielen, und diese Formteile sind so ausgebildet, daß sich in einem Quadranten quadratische Tangentialeinlässe für die Heißgase bilden.

Die DE-AS 12 00 983 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Ruß, bei der Gas ίο in unmittelbarer Nachbarschaft zu der axialen Ölbeschickungsdüse eingeführt wird. Luft wird in die zylindrische Kammer, die die öl- und Gasbeschickungsmittei umgibt, eingeführt. Eine perforierte Scheibe ist hierfür vorgesehen. Durch Anordnung der Gas- und js ölbeschickungsdüse an verschiedenen axialen Stellen kann angeblich eine große Vielfalt von Rußen hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich gegenüber dieser DE-AS schon in dem grundlegenden 4(i Konzept des Rußverfahrens. Erfindungsgemäß wird ein Problem behandelt, das bei den sogenannten O-Typ-Rußreaktoren und den entsprechenden Verfahren auftritt. In einem Rußreaktor vom O-Typ werden die heißen Verbrennungsgase, die die Hitze für die Pyrolyse «5 der Kohlenwasserstoffbeschickung zu Ruß liefern, tangential in eine zylindrische Kammer eingeführt, die verursacht, daß sie einen den Fluß der axialen Kohlenwasserstoffbeschickung umgebenen Wirbel bilden. Die heißen Verbrennungsgase kommen mit der Reaktorwand in Berührung.

Dieser Kontakt ist notwendig für die Bildung des Wirbels. Dies steht im Gegensatz zu der DE-AS 12 00 983, wo ein turbulenter Gas/Flüssigkeitsfluß genau an der Reaktorachse erzeugt wird. Es ist keine Zwischenwirkung zwischen den heißen Verbrennungsgasen und der Reaktorwand bei dieser Entgegenhaltung notwendig.

Daher enthält diese DE-AS, obwohl sie den Fluß der Luft durch die öffnungen 16 als »Abschirmluft« bo beschreibt, keinerlei Anregung für die vorliegende Erfindung. Keinerlei Andeutupg ist auch gegeben für eine tangentiale Einführung eines Schutzgases in Form eines heißen Gases, insbesondere da die DE-AS nur Schutzluft offenbart, wobei Luft natürlich normalerweise kalt ist

Die DE-OS 9 66 996 beschreibt einen Rußreaktor und ein Verfahren, worin Gas, Luft und Kohlenwasserstoffbeschickung alle axial eingeführt werden. Die Verbrennung des Gases nach dieser DE-OS wird zweckmäßig an der Wand durchgeführt, und so muß man in diesem Fall sauerstoffreich arbeiten. Daher befinden sich die heißen, bei dieser DE-OS verwendeten Verbrennur.gsgase bei einer Temperatur, die niedrig genug ist, um nicht negativ die Reaktorwand zu beeinflussen. Diese DE-OS beschreibt nicht einen O-Typ-Reaktor mit einem heißen, den Kohlenwasserstoffbeschickungsstrom umgebenen Verbrennungsgaswirbel. Vielmehr führt sie von der Erfindung weg, da nach der Erfindung der Kontakt zwischen den heißen, für die Pyrolyse verwendeten Verbrennungsgasen und der Wand durch Ausbildung des heißen (aber nicht extrem heißen) Schutzgaswirbels vermieden wird. Diese DE-OS enthält weiterhin keinerlei Andeutung im Sinne der Erfindung, die auf die Lösung eines speziellen Problems spezifisch für einen O-Typ-Reaktor gerichtet wäre.

Die GB-PS 6 99 406 beschreibt ein Rußverfahren und einen Reaktor, bei denen speziell begrenzte Beschikkungsströme verwendet werden. Das Beschickungsgas und die Luft werden axial in den gezeigten Reaktor eingeführt. Es findet sich in dieser Patentschrift kein Hinweis für die Erzeugung eines heißen, den Beschikkungsstrom umgebenden Verbrennungsgaswirbels, das spezielle Problem, das mit dieser Arbeitsweise verbunden ist, und das allein die Lösung des auseinandergesetzten Problems ermöglicht.

Die GB-PS 7 78 207 beschreibt ein Rußverfahren, worin reiner Sauerstoff ganz nahe zu einem axialen Kohlenwasserstoffbeschickungsstrom eingeführt wird. Die Verbrennung des Öls erfolgt in enger Nachbarschaft zu der Achse des Reaktors. Diese Patentschrift beschreibt so ein sehr spezielles Rußverfahren, worin sowohl Ruß und ein stickstofffreies, weiter verwendbares Gas erzeugt werden. Obwohl diese Patentschrift eine Rückführung eines Abgases beschreibt, ist der grundlegende Gedanke der vorliegenden Erfindung weder offenbart noch nahegelegt. Die Patentschrift enthält keine Andeutung für das vorstehend beschriebene Rußverfahren vom O-Typ. Weiterhin wird das Abgas als ein gekühltes Abgas wieder eingeführt, während ein heißes Gas als Schuizwirbel erfindungsgemäß eingeführt wird. Daher unterscheidet sich die vorliegende Erfindung in dem grundlegenden Gedanken, den Details und der Lösung von dieser GB-PS.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an bevorzugten Ausführungsformer näher erläutert.

F i g. 1 ist eine Vertikalschnittansicht durch die Achse eines Rußreaktors gemäß der Erfindung;

F i g. 2 ist eine Vertikalschr.ittansicht senkrecht zu der Längsachse des Reaktors längs der Schnittlinie 2-2;

F i g. 3 ist eine Querschnittsansicht einer Vorverbrennungskammer eines Rußreaktors gemäß der Erfindung längs der Schnittlinie 3-3 in F i g. 4, wobei in F i g. 1 die Anordnung der einfach geformten, leicht zusammensetzbaren und vorgeformten keramischen Formstücke für die Konstruktion der Vorrichtung gezeigt sind; und

F i g. 4 ist eine Schnittansicht des Rußreaktors gemäß der Erfindung durch die Längsachse desselben.

Unter Bezugnahme auf die Figuren wird Ausgangsöl bei 3 eingespeist und in die Vorverbrennungszone odei heiße Zone 4 über Düsen 5 eingespritzt Das ölzufuhrrohr wird auf an sich bekannte Art und Weise durch die axiale Einleitung von Luft bei 2 gekühlt

Erfindungsgemäß sind Rohre, Öffnungen oder Einlasse 6 und 7 zum Einspeisen eines Luft-Brennstoff-Gemi·

sches zur Gaserzeugung vorgesehen, wobei bei der dargestellten Ausführungsform diese Einlasse 6 und 7 nebeneinander und ungefähr parallel zueinander angeordnet sind. Entsprechende öffnungen oder Einlasse 6' und T sind vorgesehen, die bei der dargestellten Ausführungsform ebenfalls zueinander und parallel zu den Einlassen 6 und 7 angeordnet sind. Obgleich die Erfindung auch mit einem Satz von doppelten Einspeiseeinlässen, wie z. B. 6 und 7, ausgeführt werden kann, sind vorzugsweise wenigstens zwei gegenüberliegende Sätze solcher Einlasse vorgesehen, wie dies bei 6 und 7 einerseits und bei 6' und T andererseits dargestellt ist. In der Vorverbrennungszone 4 wird eine äußere Schicht aus Verbrennungsgasen erzeugt, die sich in Umfangsrichtung längs der Wandungen der Zone 4 bewegen, sowie ein innerer Massenstrom aus Heißgasen, die von den Wandungen wenigstens eine Zeitlang abgeschirmt sind. Das eingespeiste öl wird sofort und intensiv in Berührung mit den heißen Verbrennungsgasen gebracht, die bei 7 und T eingeleitet werden. Erfindungsgemäß weisen diese Gase eine Wärmemenge bei einer Temperatur und einem Luft-Brennstoff-Verhältnis auf, die derart aufeinander abgestimmt sind, daß eine optimale Wärmemenge zur Erzeugung von Ruß aus dem als Ausgangsmaterial bestimmten öl oder Gas verfügbar ist.

Obgleich die Einlasse 6 und 7 einerseits und 6' und T andererseits, wie in F i g. 1 gezeigt, überwiegend in einer vertikalen Ebene senkrecht zu der Längsachse des Reaktors liegen, können diese Einlasse auch verschieden angeordnet sein. Ausschlaggebend ist jedoch, daß die Einlasse im Hinblick auf die Temperaturen der entsprechenden Gasströme der Mengenverhältnisse und des Wärmeinhalts oder der Wärmeabgabeleistung derart angeordnet sind, daß das Öl schlagartig vermischt und einem heißen Gasstrom ausgesetzt wird, der zur Erzeugung optimaler Ausbeuten bemessen ist, ohne den Schutz der Brennkammer zu beeinträchtigen, da dieser Heißgasstrom von relativ kälteren und weniger aggressiven heißen Verbrennungsgasen abgeschirmt ist, die bei 6 und 6' eintreten.

Der restliche Teil des Reaktors kann auf an sich bekannte Art und Weise aufgebaut und ausgebildet sein, und bei der dargestellten Ausführungsform passieren die Gesamtheit der Gase und alle unvollständig umgewandelten Teile des als Ausgangsmaterial bestimmten Öls oder Gases eine venturiförmig ausgebildete Zone 9, die in dem länglichen Abschnitt 10 des Reaktors liegt. Bei 11 werden die Gase, die nunmehr den zu erzeugenden Ruß enthalten, abgeschreckt, die dann zu der an sich bekannten Rückgewinnung von Ruß weitergeleitet werden, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher beschrieben ist.

In den Fig.3 und 4 sind vorgefertigte keramische Teile A, B, Q D, E und F gezeigt, die zur Erstellung der Vorverbrennungskammer des Rußreaktors bestimmt sind, bei welchem man die Meßwerte bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 6 erhält

Das Keramikteil A ist ein Zylinderstück, das in dem stromaufwärtigen Ende des tangentialen Einlasses B fest angebracht ist Der tangentiale Einlaß B ist im Querschnitt ungefähr quadratisch und länglich. Luft und Brennstoff oder heiße Verbrennungsgase treten in die Vorverbrennungszone über die tangentialen Einlasse 6, 7 ein, die von den Keramikteilen A und B gebildet werden. Hierfür sind nur vier Teile A und vier Teile B erforderlich.

Die Keramikteile C und D bilden die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Flächen der Vorverbrennungskammer 4. Bei dieser Ausführungsform sind insgesamt vier Teile C und vier Teile D vorgesehen. Jedes dieser vier Elemente C weist die Form eines Viertelkreises auf, wobei eine Kante ausgenommen ist, um einen freien Querschnitt eines kleineren Vierteilkreises zu bilden. Jedes der vier Teile D ist ungefähr quadratisch ausgebildet, wobei eine Seite ausgenommen ist, um einen freien Querschnitt eines kleineren

ίο Viertelkreises zu bilden.

Um die Vorverbrennungskammer 4, bestehend aus stromaufwärtigen und stromabwärtigen Flächen mit den Teilen C(jeweils zwei) und D (jeweils zwei) an jeder Seite zu umschließen, sind Keramikteile E und F

ι ί vorgesehen. Hierzu sind zwei Teile E und zwei Teile F, wie dargestellt, bestimmt. Jedes Teil E ist ungefähr geradlinig und jedes Teil Fist so gekrümmt ausgebildet, daß es sich an die Krümmung der Teile Canpassen kann.

An sich bekannter feuerfester Mörtel bzw. Feuerzement wird zur Zusammensetzung der Teile der Vorrichtung verwendet. Jede Seite weist zwei Teile jeweils von C und D auf, und die beiden Seiten sind durch Teile jeweils von E und F (siehe F i g. 3 und 4) miteinander verbunden. Die tangentialen Einlasse B stoßen an die Verbrennungskammer bei den Teilen D, wie gezeigt, an.

Die freien vierteilkreisförmigen Querschnitte der Teile C und D sind so bemessen, daß sie um das keramische Zylinderanpaßstück / passen, welches einen Keramikeinsatz J an der stromaufwärtigen Seite besitzt, durch welchen Luft in axialer Richtung 2 strömt und in welchen die ölzuleitung 3 eingesetzt ist, und auch um das Reaktorteil G=9 an der stromabwärtigen Seite der Vorverbrennungskammer passen. Wie in F i g. 4 gezeigt, wird der Reaktoreinlaß von zwei Abschnitten G und H in Form eines venturiförmig ausgebildeten Abschnittes gebildet. Zusätzliche zylindrische Keramikteile sind stromabwärts vorgesehen. Der venturiförmige Abschnitt ist fakultativ. Dies bedeutet, daß zylindrisch ausgebildete Keramikteile für die gesamte Reaktionszone verwendet werden können.

Die Teile B, Q D, E, F, G und H sind an den angrenzenden Abschnitten zur Bildung einer Überlappungsverbindung ausgenommen, die mit Hilfe von

Feuerzement gebildet wird. Diese Überlappungsverbindung ist in den Figuren gezeigt. Dieses Merkmal stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar. Die Teile können jedoch auch Kante an Kante mit ebenen Verbindungskanten aneinanderstoßen.

so Als bevorzugtes öl wird ein aromatisches Konzentratöl verwendet, das man beispielsweise bei der Lösungsmittelextraktion von gecracktem Leichtöl und zyklischem Schweröl erhält, das bei katalytischer Crackung von Reingasölen und/oder Rückstandölen,

wie z. B. öle als Rückstand der ersten Destillation, anfällt Ein bevorzugtes öl ist mit »SO2 Extrakt« bezeichnet, das man bei einer »Flüssig-Flüssig«-SO2-Lösungsmittelextraktion dieser gecrackten zyklischen öle erhält Ein »SO₂ Extraktöl« wurde bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet Es besaß einen Bureau of Mines Correlation Index (BMCI) von 100 und eine Siedegrenze von 260 bis 427° C.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung derartiger aromatischer Konzentrate als Ausgangsöl beschränkt Andere Öle, wie z. B. Kerosin, Kohlenwasserstoffe mit Benzinsiedegrenze, leichte oder schwere Naphthas oder schwerere öle als rezyklierte öle können verwendet werden. Selbst Naturgas oder Erdgas kann verwendet

werden, außerdem Propan, Butan, Pentan u. dgl. Kohlenwasserstoffe aus anderen Quellen als Petroleum können verwendet werden, wie z. B. Kohlengas bzw. Leuchtgas mit niedriger Temperatur, Kohle, Teerdestillate, Schieferdestillate, schwere Kohlenrückstände und ähnliches.

Das öl kann als Dampf oder als Flüssigkeit oder auch als ein Gemisch zugegeben werden. Dampf, Luft, vergaster Brennstoff u. dgl. können zur Unterstützung der Vergasung eines flüssigen eingeleiteten Mediums verwendet werden, ebenfalls Doppelfluiddüsen.

Die öleinspritzstelle, wie z. B. die Düsenlage, kann stromaufwärts von der stromaufwärtigen Seite der Vorverbrennungskammer 4 verlegt werden, kann an der stromaufwärtsseitigen Fläche oder auch innerhalb desselben, ja sogar selbst innerhalb des konvergierenden Abschnittes eines Venturireaktors 9 liegen, wenn ein venturiförmig ausgebildeter Abschnitt vorgesehen ist.

Meist wird Kühlluft oder Luft zur Verhinderung von Koksbildung in den Düsen kreisringförmig um das ölzuleitungsrohr eingeleitet.

Erfindungsgemäß von Bedeutung ist die Tatsache, daß die doppelten Schichten aus Verbrennungsgas mit unterschiedlichen Temperaturen derart angeordnet sind, daß eine Kontaktierung mit dem Kohlenwasserstoff oder dem als Ausgangsmaterial bestimmten öl oder Gas mit einem Verbrennungsgas, das wesentlich heißer als gewöhnlich ist, sehr schnell, wenn nicht schlagartig ermöglicht wird und das Ausgangsmaterial in sehr feine Teilchen oder Teile von Kohlenwasserstoffen zerfällt, die in Ruß bei minimalen Nebenreaktionen umgewandelt werden, wobei die Nebenreaktionen nicht zu dem erzeugten Ruß beitragen.

Jeder Brennstoff kann mit Luft oder Sauerstoff angereicherter Luft zur Bildung heißer Verbrennungsgase verbrannt werden. Diese heißen Verbrennungsgase werden in den tangentialen Durchlässen stromab von der Vorverbrennungskammer oder am Eintritt in die Kammer gebildet.

Ein Naturgas (hauptsächlich Methan) mit einem Heizwert von ungefähr 8899 Cal/m³ wurde als Brennstoff bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung eingesetzt.

Bei der Verwendung von Methan als Brennstoff beträgt ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff 10, was man aus der folgenden G!eichung erhält:

CM₄

H)(LUfI)
2 O, + SN₂

CO, + 2 H,O + SN,

Diese Gleichung zeigt den stöchiometrischen Zusammenhang von Luft und Methan zur Gewinnung von CO: und H₂O als Verbrennungsprodukte bei der Verbrennung von CH₄ auf. Dieses stöchiometrische Verhältnis beträgt 100%.

Wenn das Luft/Brennstoffverhältnis 15/1 (z. B. Volumeneinheiten) beträgt, so läuft die Reaktion »150% stöchiometrisch« ab oder 50% überschüssige Luft fällt an.

Bei hoher stöchiometrischer Verbrennung, wie z. B. bei 150%, werden kältere Verbrennungsgase als bei einer Verbrennung beispielsweise bei 100% erzeugt, da bei 150%iger stöchiometrischer Verbrennung der Anteil von 50% der überschüssigen Luft ebenfalls erwärmt werden muß, was zu einem geringeren Temperaturanstieg im Vergleich zu der Verbrennung mit weniger überschüssiger oder gar keiner überschüssigen Luft führt.

Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor ist eine längliche, zylindrische Vorverbrennungskammer 4 vorgesehen, in welche öl am stromaufwärtigen Ende axial eingespeist wird, und die Reaktionszone steht in offener Verbindung mit dem stromabwärtigen Ende der Vorverbrennungskammer. Heiße Verbrennungsgase werden tangential am Umfang der Vorverbrennungskammer eingespeist. Meist sind zwei tangentiale doppelte Einlasse bei 180° oder in Durchmesserlage der Vorverbrennungskammer angeordnet. Es kann auch ein doppelter Einlaß verwendet werden, ebenfalls können auch mehr als zwei doppelte tangentiale Einlasse für heiße Verbrennungsgase verwendet werden, die vorzugsweise gleichmäßig um die zylinderförmig ausgebildete Vorverbrennungszone verteilt angeordnet sind.

Bei dem in der Erfindung beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zwei (um 180° versetzte) tangentiale Einlasse vorgesehen. Diese sind übereinanderliegend angeordnet, d. h., es sind zwei tangentiale Einlaßrichtungen an jeder tangentialen Einlaßzone oder jedem tangentialen Einlaßabschnitt vorgesehen.

Der äußere tangentiale Einlaß (dessen Mittelachse durch die Reaktorachse gebildet wird) lag in einem Abstand von einem größeren Radius als der innere tangentiale Einlaß. Die heißen Verbrennungsgase unterschiedlicher Mengen und Qualitäten werden über äußere und innere tangentiale Einlasse eingespeist. Das äußere tangentiale Verbrennungsgas war luftreicher als das innere tangentiale Verbrennungsgas. Hierdurch können die heißen Verbrennungsgase im äußeren Einlaß relativ kuhler in Berührung mit dem feuerfesten Material der Vorverbrennungskammer kommen, so daß keine Gefahr einer Überhitzung des feuerfesten Materials besteht. Dieser äußere tangenüale Strom bildet eine Wirbelströmung in der Vorverbrennungskammer. Die inneren tangentialen Verbrennungsgase sind weniger luftreich und weisen somit eine höhere Temperatur auf und sind von der äußeren Wirbelströmung umgeben (die inneren Gase kommen somit nicht in Berührung mit dem feuerfesten Material). Das Ausgangsöl tritt in die inneren heißen Verbrennungsgase unter Bildung einer Wirbelströmung ein und werden sofort bzw. schlagartig kräftig mit den relativ heißen Gasen kontaktiert.

Eine größere Menge an Verbrennungsgasen wurde über den äußeren tangentialen Einlaß als über den inneren tangentialen Einlaß eingeleitet.

Beispiel

Das Bezugsbeispiel wurde in einem Reaktor ausgeführt, dessen Kenndaten in der nachstehenden Tabelle aufgeführt sind. Hierbei wurde dieser mit einem

W) Venturiabschnitt versehene Reaktor wie bei der in den Figuren wiedergegebenen Ausführungsform verwendet mit der Ausnahme, daß die Vorverbrennungszone nur je einen (größeren) tangentialen Einlaß 180° versetzt in der gleich groß bemessenen Vorverbrennungszone

b5 aufweist Bei der in den Figuren geschilderten Ausführungsform sind Doppelrohreinlässe vorgesehen, wobei jedes Rohr etwas kleiner als in der Tabelle angegeben bemessen war.

In der nachstehenden Tabelle sind die Werte zur Herstellung von N330 (HAF) Ofenruß aufgeführt. N330 ist die geläufige ASTM-Bezeichnung für HAF (stark abtragender Ofenruß). Die Teilchengröße in σιμ für N330 liegt bei 26 bis 30, wie an sich bekannt.

Die Werte in der Tabelle sind Vergleichsdaten. Ungefähr die gleichen Luftgeschwindigkeiten, Geschwindigkeiten des Brennstoffgases (Methan) und Geschwindigkeiten des Öls sind gezeigt. Bei der Erfindung wird eine größere Ausbeute (g Ruß/l Ausgangsöl) erzielt, als in der letzten Zeile der Tabelle aufgeführt.

Keakiordimension	Stand d.	Krfindung
	τ..-..-hnJk
	CIU	LlIl

\'or\ erh renn im üs/oiic	M)	20
Lange	99	94
Durchmesser

Durchmesser langem laier

Hinlal.l

Hin.'elne Leitung ')
Äuliere Einlaßleitung ')
Innere Hmlaljleilung')
Gesamte Einlaßflüche/
Hinheil in enr
kreisdurchmesser

Venturiförmiger Abschnitt
Länge

Linlal.Hhirchniesver
Ausiaixiuu Innerer
Halsdurchmesser¹¹1

⁷H)

19,68

70.96	70.96
38	38
3 S	38
20	20

	Stand d.	l-'rllnüung
	Technik
	cm	cm
Reaktorabschnitt
Durchmesser	38	38
Länge (bis Abschreckstelle)	(ungefähr 80	Photelo-
	meter)
') Die Uinlaßgeschwindigkeilen w	aren bei allen	Beispielen

verschieden.

^b)Dcr llalsahschnitl liegt auf der Hüllte /wischen dem Hinlaß und dem Auslaß des venluriförmigen Abschnittes.

Bei den Ausführungsbeispielen für die Erfindung sind die äußeren und inneren Einlasse für das heiße Verbrennungsgas in ungefährer Ausrichtung in einer Ebene senkrecht zur Achse des länglichen Ofens angeordnet, jedoch können im Rahmen der Erfindung auch Doppelrohreinlässe mit unterschiedlichen Längen derart angeordnet sein, daß sich ein äußerer Schutzschleier bildet und innen heißere Gasmassen enthalten sind. So gesehen brauchen die äußeren, relativ kühleren Gasschleier an den Wandungen der Vorverbrennungskammer im Hinblick auf die Rohre oder Einlasse nicht gleichmäßig zu sein, noch müssen sie in genauer Ausrichtung liegen. Der äußere Einlaß kann etwas davor oder dahinter, d. h. stromaufwärts oder stromabwärts des inneren Einlasses oder des inneren Einlaßrohres oder umgekehrt angeordnet sein. Jeder Einlaß kann selbst bei der Verwendung von mehreren inneren und mehreren äußeren Einlassen auf die unterschiedlichste Art und Weise angeordnet sein. Die Düse 5 liegt an der stromaüfwärtigen Seite der Vorverbrennungszone bei allen vier Beispielen.

Werte bei Hersiellunu u>n N33O Ruß

Betrieh

Vergleichsbeisp. Hrfinoungsgem. Beispiele

Gesamtluft. nr'/h

Äuß. tang. Hinlaß. mVh
In. tang. Hinlall nrVh
Axiale Lull, m'/h

Tangentialer Brennstoff
(Naturgas), m'/h
Äußerer Brennstoff, m'/h
Innerer Brennstoff. nrVh

Volumenverhältnis
tang. Luft/tang. Gas

Äußeres Verhältnis

Inneres Verhältnis

Vol. Verh. Gesamtluft/Gas

Vorerwärmung d. Luft, C"
Axiale Ölgeschw., l/h
Verhältnis Gesamtluft/Öl. nrVl

5853

5629

5827

3425

2284

118

400

5816

3408

2294

114

40Ü

5788

3405

2270

113

39

386	226	227	22
0	174	173	17
14.6	15,1	15.0	15.1
-	13,1	13,2	13.1
15,2	14.6	14.5	14.5
425	418	426	427
1249	1230	1249	1249
4.68	4.74	4.66	4.63

13 Fortsetzung	27 29 400	84 96,5 101,2	14	4
Betrieb	Vergleichsbeisp. Erfindungsgem. 1 2	101,4 100 115 496	Beispiele 3	78 95,1 94,5
Rußerzeugnis Photoelometer Wert %') IiNo., m^:/g²) N,SA, nr/g³)	85 88 96	82 96,1 97,1	96 100,4 115 531
CTAB, m²/g⁴) 24M4, DBP, cc/100 g⁵) Farbwert⁶) Ausbeute g/l Öl	98 102 110 476	98,3 100,5 113 502

Verwendete Testmethoden:
') ASTM-D-1618-58T.
²)ASTM-D-1510-70.

³) ASTM-D-3037-71T, Methode A.

⁴) J. Janzen und G. Kraus, Rubber Chemical and Technology, 44. 1287 (1971).

⁵) U. S. 35 48 454, gemessen nach Zerkleinerung durch Methode B, ASTM-D-2414-70. ") ASTM-D-3265-75.

Wie erwähnt, wurde als öl ein SC^-Extraktöl mit Bureau of Mines Correlation Index (BMCI) von 100, Siedebereich von 260 bis 427° C, verwendet. Das öl blieb bei allen Beispielen in der Tabelle gleich.

Das Verhältnis von Gesamtluft zu öl war bei dem Vergleichsbeispiel (!) und den drei Beispielen gemäß der Erfindung (2), (3) und (4) ungefähr gleich. Die Ausbeute beim Vergleichsbeispiel (1) war relativ niedrig, während die Ausbeuten bei den Beispielen gemäß der Erfindung (2), (3) und (4) größer waren. Die Farbwerte sind bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen geringfügig höher.

Die Stickstoffoberflächenbereiche und CTAB-Werte (Teilchengröße) waren ungefähr gleich (nur beim Beispiel 2 liegen diese Werte geringfügig höher als bei den anderen Beispielen), und die 24M4-Werte waren ungefähr bei allen Beispielen die gleichen. Es handelt sich somit also um die gleiche Qualität und die gleiche Art von Ruß bei allen vier Beispielen, um die Ausbeuten unmittelbar vergleichen zu können.

Das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Naturgas (ungefähr 8900 kcal/m*) beläuft sich auf 10 bis 1. Ein Verhältnis von 15 bis 1 bedeutet 50% überschüssige Luft oder 150% der stöchiometrischen Menge. Das Naturgas besteht überwiegend aus Methan. (Wenn Brennstoff Propan ist, beträgt das stöchiometrische Verhältnis 25/1 von Luft zu Propan.)

Obgleich die Abmessungen und die spezielle Ausgestaltung des Reaktors gemäß der Erfindung eingehend erörtert worden sind, sind entsprechende Abänderungen bezüglich des Aufbaus, der Auslegung und der relativen Abmessungen und Gestaltungsformen mög-Hch, wenn wenigstens eine Doppeleinlaßeinrichtung oder eine ähnliche Einrichtung vorgesehen ist, um innerhalb der Vorverbrennungszonen einen Schutzschleier zu bilden, der die Vorrichtung gegen die äußerst heißen Gase abschirmt, die unabhängig in die jo Vorrichtung eingebracht werden können, und zwar in Größen und Mengen, daß man von dem gewünschten herzustellenden Ruß eine optimale Ausbeute erhalten kann.

Die Stelle, an welcher die Düse mündet und an der das Ausgangsöl oder das Ausgangsgas in die Vorverbrennungskammer eintritt, kann unterschiedlich sein. Durch die Veränderung des genauen Berührungspunktes von den Heißgasen mit dem Ausgangsöl oder Ausgangsgas führt bekanntlich zu verschiedenen Ergebnissen. Für jede Art des Ausgangsmaterials und jedes Luft-Brennstoff-Verhältnis können unterschiedlich aufgebaute Ausführungsformen vorgesehen sein, die zu optimaler Ergebnissen führen.

Da der äußere Durchlaß oder Einlaß bei einerr Luft/Brennstoffverhältnis betrieben wird, das größer als

'das stöchiometrische Verhältnis ist, und der innere Durchlaß bei einem Verhältnis von Luft/Brennstofl betrieben wird, welches kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist, wobei bei beiden vorgewärmte Lufi

so verwendet wird, kann die axiale öleinlaßdüse in dei Vorverbrennungszone in geschützter Form an einei Stelle näher am Eintritt in den venturiförmiger Abschnitt angeordnet sein, um einen größeren Farbwer zu erzielen.

Hierzu 2 BUiIl Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Ruß, wobei ein flüssiges oder gasförmiges Kohlenwasserstoffbeschickungsmaterial axial an einem Ende eines Rußofens eingespeist, in Umfangsrichtung in der Nähe dieses Endes heißes Verbrennungsgas eingeleitet und der im Ofen erzeugte Ruß vom anderen Ende abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung zwei heiße Verbrennungsgasströme eingeführt werden, nämlich ein erster heißer Verbrennungsgasstrom und ein zweiter heißer Verbrennungsgasstrom, der wesentlich heißer als der erste Verbrennungsgasstrom ist, wobei der erste heiße Verbrennungsgasstrom radial weiter außerhalb als der zweite heiße Verbrennungsgasstrom eingeführt wird, um so zwti Ströme von heißen Verbrennungsgasen zu bilden, die bezüglich der Längsachse des Durchlasses ineinander liegen, und daß das erste heiße Verbrennungsgas einen Schutzschleier zwischen der Wand des Durchlasses und dem zweiten heißen Verbrennungsgasstrom bildet, wobei der zweite heiße Verbrennungsgasstrom bei einer Temperatur, in einer Menge und Qualität vorliegt, daß das Kohlenwasserstoffbeschickungsmaterial sofort Bedingungen zur Bildung von Ruß unterworfen wird.

2. Länglicher Rußherstellungsofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem axialen Kohlenwasserstoffausgangsmaterialeinlaß und mit Einrichtungen, die die Gase und den darin gebildeten Ruß abführen, mit einer Vorverbrennungszone und mit einer Einrichtung zum Einspeisen von heißem Verbrennungsgas in Umfangsrichtung in diese Zone, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Verbrennungsgaseinlässe (6, 7) vorgesehen sind, die in die Vorverbrennungszone (4) in unterschiedlichen Radialabständen von der Längsachse des Ofens (10) einmüden, und daß den Verbrennungsgaseinlässen zugeordnete Einrichtungen vorgesehen sind, die eine Einleitung von Verbrennungsgasen für jeden Einlaß (6, 7) in die Zone (4) unabhängig voneinander gestatten.

3. Rußofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlässe (6, 7) parallel zueinander und jeweils in einer Ebene senkrecht bezüglich der Längsachse liegen.

4. Rußofen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführung des äußeren Gaseinlasses (6) tangential bezüglich der Zone (4) angeordnet ist.

5. Rußofen nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Ofen (10) im Querschnitt ungefähr kreisförmig ausgebildet, mit feuerfestem Material ausgekleidet und in offener Verbindung am stromaufwärtigen Ende mit dem stromabwärtigen Ende der Vorverbrennungszone (4) steht, daß der kreisförmige Querschnitt wenigstens teilweise an den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seiten der Vorverbrennutigszone (4) wenigstens von vier vorgeformten ilächenförmigen Keramikelementen (C, D) gebildet wird, wobei jedes Element zwei benachbarte gerade Kanten besitzt, die zur Bildung einer Innenkante angeordnet sind, und jedes Element an der Innenseite mit einer Viertelkreissektion angepaßt und derart ausgenommen oder versetzt ist, daß das Element bündig an ein zylinderförmig ausgebildetes Keramikteil anschließt, daß die stromabwärtigen Keramikelemente (C, D) am Einlaß des im Querschnitt kreisförmigen Ofens (10) befestigt sind, die stromaafwärtigeu Keramikelemente (C, D) an einem zyünderförmigen Keramikteil angebracht sind, das eine axiale Einführleitung

(3) und eine axiale Luftleitung (2) aufnimmt, daß zwei der vier vorgeformten Keramikelemente (D) eine Vorverbrennungskammer bilden, die im Querschnitt ungefähr eine quadratische Gestalt aufweist, und zwei der vier vorgeformten Keramikelemente (C)\m wesentlichen viertelkreisförmig ausgebildet und wechselweise angeordnet sind, daß wenigstens vier Verbindungselemente (E, F) als vorgeformte Keramikteile an den Umfang der Vorverbrennungszone

(4) sich anschließen, die an den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seiten der Vorverbrennungszone (4) angepaßt sind, wobei zwei der vier Verbindungselemente (E) ungefähr geradlinig und passend entsprechend der quadratischen Querschnittsgestalt der Keramikelemente (D)ausgebildet sind und wenigstens zwei der vier Verbindungselemente (F) gekrümmt ausgebildet sind und an die äußere, gekrümmte Kante jedes viertelkreisförmig ausgebildeten Keramikelements (C) anschließen, daß ein Keramikelement (B) als tangentialer Einlaß passend befestigt ist und in offener Verbindung mit der Vorverbrennungskammer (4) an der Stelle der quadratisch ausgebildeten Keramikelemente (D) der Flächen und der geradlinig ausgebildeten Verbindungselemente (E) steht, daß die tangentialen Keramikelemente (B) im Querschnitt ungefähr quadratisch ausgebildet sind und die heißen Verbrennungsgase aufnehmen sowie die Einleitung der Gase in die Vorverbrennungskammer (4) in ungefähr tangentialer Form gestatten.

6. Rußofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb jedes Keramikelements (B) als tangentialer Einlaß in ein hohlzylindrisches, im Querschnitt kreisförmiges Keramikelement (A) vorgesehen ist.