DE3443978C2

DE3443978C2 -

Info

Publication number: DE3443978C2
Application number: DE3443978A
Authority: DE
Inventors: Kam Bor Chelmsford Mass. Us Lee; Alan A. Wayland Mass. Us Simpkin
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1983-12-23
Filing date: 1984-12-01
Publication date: 1991-04-25
Also published as: RO89529A; ES538529A0; LU85694A1; SE8406569D0; BR8406671A; AU566453B2; FR2557126A1; CA1229969A; DK614784D0; AU3709384A; FR2557126B1; YU218284A; KR930002759B1; SE8406569L; IT1177496B; IL73895A0; DK614784A; IL73895A; PH21077A; NL8403906A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Furnace-Rußen mit vielen wichtigen Anwendungen. Diese umfassen die Verwendung als Füllstoffe, Pigmente und Verstärkungsmittel in Kautschuk und Kunststoffen. Im allgemeinen umfaßt das Furnace-Verfahren zur Herstellung von Rußen das Cracken und/oder die unvollständige Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials wie Erdgas oder Umlaufmaterial in einer geschlossenen Umwandlungszone bei Temperaturen oberhalb von 1256 K (1800°F) zur Erzeugung von Ruß. Der in den Gasen, die aus der Umwandlungszone austreten, mitgeführte Ruß wird dann abgekühlt und mittels beliebiger geeigneter, üblicherweise in der Industrie verwendeter Mittel gesammelt. Es ist auch wünschenswert, Ruße mit ähnlichen Eigenschaften herzustellen, die befähigt sind, Kautschuk-Zusammensetzungen verbesserte Hysterese-Eigenschaften zu verleihen. Darüber hinaus ist es in gewissen Fällen sehr günstig, über ein Verfahren zur Regulierung oder Steuerung der Farbstärke von Rußen zu verfügen.

Dementsprechend ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von Rußen verfügbar zu machen, in dem die Farbstärke der Ruße gesteuert wird.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Rußen mit niedrigeren Farbstärken verfügbar zu machen.

Andere und unterschiedliche Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute aus der folgenden eingehenden Beschreibung sowie aus den Ansprüchen erkennbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß die oben genannten und noch weitere Aufgaben dadurch gelöst werden, daß ein stufenweises oder Baustein-Verfahren zur Herstellung von Ruß des in dem US-Reissue-Patent 28 974 offenbarten und beanspruchten Typs modifiziert wird. Das stufenweise Verfahren besteht aus einer zuerst geschaffenen primären Verbrennungszone (erste Stufe), in der ein Strom heißer gasförmiger Verbrennungsprodukte gebildet wird, einer zweiten oder Übergangs-Zone, in der ein flüssiges Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial in Form kompakter Ströme (kohärenter Strahlen) im wesentlichen in Querrichtung von dem äußeren oder inneren Umfang des Stroms der Verbrennungsgase her in den vorher gebildeten Strom der heißen Gase eingespritzt wird, und einer dritten Zone (der Reaktionszone), in der die Rußbildung stattfindet, bevor der Prozeß durch Abschrecken (Quenchen) beendet wird.

In Verfahren des oben erwähnten Typs, in denen Einsatzmaterial vom äußeren Umfang des Stroms der Verbrennungsgase her eingespritzt wird, besteht die Möglichkeit, daß Verbrennungsgase unausgenutzt durch das System hindurchfließen. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn das Kohlenwasserstoff- Einsatzmaterial den Bereich, durch den die Verbrennungsgase hindurchströmen, nicht vollständig füllt und dadurch zuläßt, daß Wärme in Form der Verbrennungsgase ungenutzt entweicht. Die Neigung hierzu nimmt mit wachsender Größe des Reaktors zu. Zur Verhinderung einer solchen unwirtschaftlichen Einbuße an Verbrennungsgasen ist in der US-PS 39 22 335 offenbart, zusätzliches Einsatzmaterial in den inneren Bereich des Stroms der Verbrennungsgase einzuspritzen, das von dem vom äußeren Umfang der Übergangszone her eingespritzten Einsatzmaterial nicht erreicht wird. Die US-PS beschreibt die Benutzung einer geeigneten Vorrichtung wie einer Sonde, durch die das zusätzliche flüssige Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial in den Kern des Stroms der Verbrennungsgase im wesentlichen in quergerichteter Weise und in Richtung vom Zentrum oder Kern des Stroms der Verbrennungsgase nach außen zu den Reaktorwandungen hin eingespritzt wird. Bei dieser Arbeitsweise zeigt sich, daß die Verbrennungsgase für die angestrebten Zwecke des Scherens, Zerstäubens und Dispergierens der Öl-Tröpfchen gründlich ausgenutzt werden. Das Einspritzen von Einsatzmaterial in den inneren Bereich des Stroms der Verbrennungsgase erfolgt in derselben Ebene wie das Einspritzen des Einsatzmaterials vom äußeren Umfang der Übergangszone in Richtung in das Innere des Stroms der Verbrennungsgase. Es hat sich gezeigt, daß das in der US-PS 39 22 335 beschriebene Verfahren außerordentlich hohe Durchsätze und hohe Ausbeuten ergibt und über die Fähigkeit verfügt, Ruße hoher Güte zu erzeugen.

EP-01 02 072 beschreibt ein Verfahren zur Rußherstellung, bei dem das flüssige Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial an der oder vor der Stelle der zweiten Zone des ingesamt in bekannter Weise drei Zonen aufweisenden Ofens eingespritzt wird, an der der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht hat.

Es gibt jedoch Fälle, in denen es erwünscht ist, Ruße auf eine dem obigen Verfahren ähnliche Weise zu produzieren, dabei jedoch Ruße mit abweichenden Eigenschaften herzustellen. Insbesondere kann es wünschenswert sein, Ruße mit guten hysteretischen Eigenschaften und einer Farbstärke, die niedriger als normal ist, herzustellen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein stufenweises Verfahren zur Herstellung von Ofen-Rußen, wobei in einer ersten Zone ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel unter Bildung eines Stroms heißer Verbrennungsgase umgesetzt werden, deren Energie für die Umwandlung eines rußliefernden flüssigen Kohlenwasserstoff- Einsatzmaterials in Ruß ausreicht, und wobei in einer zweiten Zone flüssiges Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial peripher in Form mehrerer kohärenter Strahlen in den Strom gasförmiger Verbrennungsprodukte in einer Richtung im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Stroms der Verbrennungsgase und unter einem Druck, der zur Erzielung des für eine angemessene Scherwirkung und Vermischung des Einsatzmaterials erforderlichen Grads des Eindringens ausreicht, in einer Einspritzebene eingespritzt wird, an der der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht hat, und wobei in einer dritten Zone das Einsatzmaterial zersetzt und in Ruß umgewandelt wird und danach die Rußbildungsreaktion durch Abschrecken beendet und der Ruß dann abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des flüssigen Kohlenwasserstoff- Einsatzmaterials in Form mehrerer kohärenter Strahlen im wesentlichen radial in den Strom der Verbrennungsgase von deren Umfang her vor der Einspritzebene, an der der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht, eingeleitet wird, der Rest des Einsatzmaterials in Form mehrerer kohärenter Strahlen im wesentlichen radial in den Strom der Verbrennungsgase von deren Umfang her annähernd am Mittelpunkt der Übergangszone, wo der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht hat in einer weiteren Ebene eingeleitet wird, und die Öffnungen der einen Ebene zum Einspritzen des flüssigen Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials relativ zu denen in der anderen Einspritzebene, durch die jeder Teil des Einsatzmaterials eingeleitet wird, derart angeordnet sind, daß die Achsen der kohärenten Strahlen relativ zueinander um einen Winkel von weniger als 60°C gedreht sind.

Es wird jedoch bevorzugt, das Einsatzmaterial in den Strom geringerer Geschwindigkeit der Verbrennungsgase vom inneren Umfang her radial nach außen in den Strom der Verbrennungsgase einzuspritzen. In dem vorliegenden Stufen-Verfahren wird die maximale Geschwindigkeit des Stroms der Verbrennungsgase ungefähr am Mittelpunkt der Übergangszone erreicht. So kann, wenn beispielsweise das Einspritzen durch eine Sonde erfolgt, die Modifizierung in der Weise durchgeführt werden, daß die Sonde in die erste oder primäre Verbrennungszone eingeschoben wird, so daß das Einsatzmaterial in den Strom der Verbrennungsgase eintritt, wenn dieser noch eine geringere Geschwindigkeit besitzt. Der Punkt bzw. die Ebene, wo das Einsatzmaterial tatsächlich in den Strom der Verbrennungsgase geringerer Geschwindigkeit eingespritzt wird, kann je nach der speziellen Güte oder dem Typ des gewünschten Rußes beträchtlich variiert werden.

Bei der Herstellung der bei der Gewinnung der Ruße gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzten heißen Verbrennungsgase werden in einer geeigneten Verbrennungskammer ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff und ein Strom eines geeigneten Oxidationsmittels wie Luft, Sauerstoff, Mischungen aus Luft und Sauerstoff oder dergleichen miteinander umgesetzt. Zu den Brennstoffen, die sich für die Reaktion mit dem Strom des Oxidationsmittels in der Verbrennungskammer zur Erzeugung der heißen Verbrennungsgase eignen, zählen beliebige leicht brennbare Gas-, Dampf- oder Flüssigkeits-Ströme wie Wasserstoff, Carbonmonoxid, Methan, Acetylen, Alkohole und Kerosin. Im allgemeinen wird jedoch der Einsatz solcher Brennstoffe bevorzugt, die einen hohen Gehalt an kohlenstoffhaltigen Bestandteilen haben, insbesondere der Einsatz von Kohlenwasserstoffen. Zum Beispiel sind Ströme, die reich an Methan sind, wie Erdgas und modifiziertes oder angereichertes Erdgas, ausgezeichnete Brennstoffe, ebenso aber auch andere Ströme, die große Mengen an Kohlenwasserstoffen enthalten, wie verschiedene Kohlenwasserstoff-Gase und -Flüssigkeiten und Raffinerie-Nebenprodukte, darunter Ethan-, Propan-, Butan- und Pentan-Fraktionen, Brennstoff-Öle und dergleichen. Die hier verwendete Bezeichnung primäre Verbrennung bezieht sich auf die in der ersten Stufe des Baustein-Verfahrens verwendete Oxidationsmittel-Menge relativ zu derjenigen Menge an Oxidationsmittel, die theoretisch für die vollständige Verbrennung des Kohlenwasserstoffs der ersten Stufe zu Carbondioxid und Wasser benötigt wird. Auf diese Weise wird ein Strom heißer Verbrennungsgase gebildet, der mit hoher Lineargeschwindigkeit fließt. Weiterhin wurde gefunden, daß eine Druckdifferenz zwischen der Verbrennungskammer und der Reaktionskammer von wenigstens 6,9 kPa und vorzugsweise etwa 10,3 bis 69 kPa wünschenswert ist. Unter diesen Bedingungen wird ein Strom gasförmiger Verbrennungsprodukte erzeugt, der genügend kinetische Energie besitzt, um ein Ruß lieferndes, flüssiges kohlenwasserstoff-haltiges Einsatzmaterial für die Erzeugung der gewünschten Ruß-Produkte ausreichend gut zu zerstäuben. Der erhaltene, aus der primären Verbrennungszone austretende Strom der Verbrennungsgase erreicht eine Temperatur von mindestens etwa 1316°C, wobei die besonders bevorzugten Temperaturen mindestens oberhalb von etwa 1649°C liegen. Die heißen Verbrennungsgase werden in Abwärtsrichtung mit hoher Lineargeschwindigkeit vorwärtsgetrieben, die noch dadurch gesteigert wird, daß die Verbrennungsgase in eine eingeschlossene Übergangsstufe mit kleinerem Durchmesser geleitet werden, die gegebenenfalls verjüngt oder eingeschnürt sein kann, etwa mittels einer üblichen Venturi- Verengung.

In dem vorliegenden Verfahren wird der verbleibende Teil der Gesamtmenge des eingesetzten flüssigen Einsatzmaterials vom inneren oder äußeren Umfang des Stroms der Verbrennungsgase her in einer im wesentlichen radialen, auswärtigen oder einwärtigen Richtung in der Verbrennungsgase in einer Einspritzebene eingespritzt, an der der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht hat, d. h., ungefähr am Mittelpunkt der Übergangszone. Das Einsatzmaterial wird im wesentlichen radial in Form kompakter Ströme durch unbehinderte Öffnungen an der Übergangszone in die Verbrennungsgase von deren äußerem oder innerem Umfang her eingespritzt, wobei dem Einspritzen vom äußeren Umfang des Stroms der Verbrennungsgase her der Vorzug gegeben wird. Mittels dieser Arbeitsweise des Einspritzens des flüssigen Einsatzmaterials werden Ruße erzeugt, die befähigt sind, Kautschuk-Mischungen mit verbesserter Hysterese auszustatten.

In der zweiten Stufe des Verfahrens fließen die Verbrennungsgase mit hoher Geschwindigkeit, und es herrscht dort ein gaskinetischer Druck von wenigstens etwa 6,9 kPa. Das flüssige, Ruß liefernde Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial, das in die Verbrennungsgase in der zweiten oder Übergangs-Zone eingespritzt wird, muß unter hinreichend hohem Druck eingespritzt werden, um die angemessene Durchdringung zu erreichen und dadurch einen hohen Grad der Vermischung und Scherwirkung der heißen Verbrennungsgase und des flüssigen Kohlenwasserstoff- Einsatzmaterials sicherzustellen. Das flüssige Einsatzmaterial wird im wesentlichen in Querrichtung vom äußeren oder inneren Umfang des Stroms der heißen Verbrennungsgase her in Form mehrerer kompakter Ströme (kohärenter Strahlen) in einer Einspritzebene eingespritzt, die gut in den inneren Bereich oder Kern des Stroms der Verbrennungsgase eindringen.

Geeignet für die hier angegebene Verwendung als Kohlenwasserstoff- Einsatzmaterialien, die sich unter den Reaktionsbedingungen leicht verflüchtigen lassen, sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie Acetylen, Olefine wie Ethylen, Propylen und Butylen, Aromaten wie Benzol, Toluol und Xylol, bestimmte gesättigte Kohlenwasserstoffe und verdampfte Kohlenwasserstoffe wie Kerosin, Naphthaline, Terpene, Ethylen-Teere, aromatische Raffinationsöle (aromatic cycle stocks) und dergleichen.

Die dritte Stufe des mehrstufigen Verfahrens besteht darin, eine Reaktionszone zu schaffen, die eine für die Ruß-Bildungsreaktion ausreichende Verweilzeit gewährleistet, bevor die Reaktion durch Abschrecken beendet wird. In jedem Fall hängt die Verweilzeit von speziellen Verfahrensbedigungen und von der speziellen zu erzeugenden Ruß-Art ab.

Nachdem die Ruß-Bildungsreaktion für die Dauer der gewünschten Zeitspanne abgelaufen ist, wird die Reaktion dadurch beendet, daß unter Benutzung mindestens eines Satzes Sprühdüsen eine Abschreckflüssigkeit, etwa Wasser, aufgesprüht wird. Die heißen Abgase, in denen die Ruß-Produkte suspendiert enthalten sind, werden dann stromabwärts weitergeleitet, wo die Schritte des Kühlens, Abtrennens und Sammelns des Rußes in üblicher Weise durchgeführt werden. Beispielsweise wird die Abtrennung des Rußes aus dem Gas-Strom in einfacher Weise durch übliche Vorrichtungen wie einen Abscheider, einen Zyklon-Abscheider, ein Schlauchfilter oder Kombinationen aus diesen erreicht.

Bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung sind die Mengen des in die primäre Verbrennungszone und des in der Einspritzebene, an der die Verbrennungsgase die maximale Geschwindigkeit erreicht haben, eingespritzten Einsatzmaterials beliebige Mengen, die zu dem Verfahren der Bildung von Rußen mit niedrigeren Werten der Farbstärke beitragen und den diese Ruße enthaltenden Kautschuk-Zusammensetzungen verbesserte hysteretische Eigenschaften verleihen. Es wird bevorzugt, eine Menge von etwa 20 bis etwa 80% des Einsatzmaterials vor der Stelle, an der der Strom der Verbrennungsgase die maximale Geschwindigkeit erreicht hat, in einer Einspritzebene einzuspritzen, während die restliche Menge in einer Einspritzebene in der Übergangszone eingespritzt wird, an der der Strom der Verbrennungsgase die maximale Geschwindigkeit erreicht hat. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Menge von etwa 40 bis etwa 60% des Einsatzmaterials vor der Stelle, an der der Strom der Verbrennungsgase die maximale Geschwindigkeit erreicht hat, eingespritzt, während die restliche Menge in der Einspritzebene in der Übergangszone eingespritzt wird, an der der Strom der Verbrennungsgase die maximale Geschwindigkeit erreicht hat.

Bei der praktischen Durchführung des vorliegenden Verfahrens in einem mehrstufigen Reaktor, wobei das Einsatzmaterial an mehr als einem Punkt bzw. in mehr als einer Ebene eingespritzt wird, sind die Öffnungen, durch die das Einsatzmaterial eingespritzt wird, vorher so angeordnet oder örtlich festgelegt worden, daß die Winkel halbiert werden. Hierdurch wird das Einsatzmaterial über eine breitere Querschnittsfläche des Stroms der Verbrennungsgase eingespritzt. Es wurde nunmehr jedoch gefunden, daß eine Drehung des Winkels der Öffnungen, durch die das Einsatzmaterial eingespritzt wird, von einem Winkel von weniger als 60° in einer Richtung, die zu einer Überdeckung der Öffnungen führt, bei der der Winkel 0° ist, zur Herstellung von Rußen mit in ausgeprägter Weise erniedrigter Farbstärke führt. Es wird bevorzugt, daß die Achsen der kohärenten Strahlen relativ zueinander um einen Winkel im Bereich von 0° bis 30° gedreht sind, wobei 0° der am meisten bevorzugte Winkel ist. Ein Winkel von 0° ist dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der kohärenten Strahlen einer Ebene sich mit den Achsen der kohärenten Strahlen der anderen Ebene überdecken. Die Öffnungen, die verdreht werden, können entweder diejenigen sein, durch die das Einsatzmaterial in den Strom der Verbrennungsgase an der Stelle der maximalen Geschwindigkeit in einer Einspritzebene eingespritzt wird, oder diejenigen, die für das Einspritzen des Einsatzmaterials in den Strom der Verbrennungsgase geringerer Geschwindigkeit benutzt werden. Es wird jedoch bevorzugt, die Öffnungen, durch die das Einsatzmaterial in den Strom der Verbrennungsgase geringerer Geschwindigkeit eingespritzt werden, zu verdrehen.

Zur Bestimmung der analytischen und physikalischen Eigenschaften der mittels des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Ruße werden die nachstehend aufgeführten Prüfverfahren benutzt.

Iod-Adsorptionszahl

Die Iod-Adsorptionszahl wird gemäß ASTM D 1510-70 bestimmt.

Farbstärke

Die Farbstärke einer Ruß-Probe im Vergleich zu einem Industrie-Farbstärke-Standard-Ruß wird gemäß ASTM D 3265-76a bestimmt.

Dibutylphthalat(DBP)-Adsorptionszahl

Die DBP-Zahl eines Rußes wird gemäß ASTM D 2414-76 bestimmt. Die angegebenen Werte zeigen an, ob ein Ruß in Flocken-Form oder Pellet-Form vorliegt.

DBP-Adsorptionszahl nach Zerkleinerung (CDBP)

Ein Ruß-Pellet wird einer Zerkleinerungsoperation unterworfen, und die Struktur wird dann gemäß ASTM D 3493-79 gemessen.

Modul und Zugfestigkeit

Diese physikalischen Eigenschaften werden bestimmt mittels der Prüfverfahren gemäß ASTM D-412. Kurz gesagt gibt die Modul- Messung die Zugkraft pro Fläche (pounds per square inch) an, die bei Dehnung einer Probe eines vulkanisierten Kautschuks auf 300% ihrer ursprünglichen Länge gemessen wird. Als Zugfestigkeit wird die Reißfestigkeit, d. h., die Zugkraft pro Fläche (pounds per square inch) gemessen, bei der eine Probe eines vulkanisierten Kautschuks im Test auf Zugbeanspruchung reißt oder bricht.

Extrusions-Schrumpfung

Sie wird gemäß ASTM D 2230-37 (Methode B) bestimmt.

Rückfederung (Elastizität)

Sie wird mittels des in ASTM D 1054 angegebenen Prüfverfahrens bestimmt.

Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, die jedoch keine Beschränkung bedeuten, sondern Fachleute weitere mögliche Ausführungsformen erkennen lassen.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wird eine geeignete Reaktionsapparatur verwendet, die mit Vorrichtungen versehen ist zur Einspeisung von ein Verbrennungsgas erzeugenden Ausgangsstoffen, d. h., einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel, entweder als getrennte Ströme oder als gasförmige Reaktionsprodukte einer Vorverbrennung, in die primäre Reaktionszone, sowie mit Vorrichtungen zur Einspeisung des Ruß liefernden, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzmaterials, die sowohl in Längsrichtung als auch in der Umfangsrichtung beweglich sind, damit sie die Einstellung des Orts der radialen Einspritzung des Einsatzmaterials in einwärtiger oder auswärtiger Richtung in den Strom der Verbrennungsgase ermöglichen. Die Apparatur kann aus jedem geeigneten Material wie Metall hergestellt werden und entweder mit feuerfester Isolierung versehen oder von einer Kühlvorrichtung für eine umlaufende Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, umgeben sein. Zusätzlich ist die Apparatur mit Vorrichtungen zur Aufzeichnung von Drücken und Temperaturen, Vorrichtungen zum Abschrecken der Ruß-Bildungsreaktion wie Sprühdüsen, Vorrichtungen zum Kühlen des Ruß-Produkts und Vorrichtungen zum Abtrennen trennen und Isolieren des Rußes von anderen, unerwünschten Nebenprodukten ausgerüstet.

Bei der Ausführung des vorliegenden Beispiels kann jeder geeignete Brenner in der primären oder ersten Stufe der Verbrennung eingesetzt werden, worin eine primäre Verbrennung von 240% erzielt werden kann. Die Verbrennungsgase der ersten Stufe mit einer primären Verbrennung von 240% werden dadurch gebildet, daß die Verbrennungszone der Apparatur mit auf 633°K vorgeheizter Luft in einer Durchsatzmenge von 3,146 m n/s (400 k.s.c.f.h.) und mit Erdgas in einer Durchsatzmenge von 0,135 m n/s (17,2 k.s.c.f.h.) beschickt wird, wodurch ein Strom der Verbrennungsgase erzeugt wird, der in stromabwärtiger Richtung mit hoher Lineargeschwindigkeit fließt. Eine Hälfte der Menge eines geeigneten flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzmaterials, das in einer Gesamt-Zuflußmenge von 0,662 l/s (630 g.p.h.) durch drei unbehinderte Öffnungen eingeleitet wird, von denen jede eine Größe von 2,26 mm besitzt, wird radial auswärts in kompakten Strömen in den Strom der Verbrennungsgase an einer Stelle 355,6 mm stromaufwärts von der Ebene eingeleitet, wo der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht, d. h., von dem Mittelpunkt der Übergangszone. Der rasch fließende Strom der Verbrennungsgase tritt in eine zweite oder Übergangs-Zone ein, die einen kleineren Durchmesser bzw. Querschnitt besitzt, um die Lineargeschwindigkeit des Stroms der Verbrennungsgase zu erhöhen. Die verbliebene Hälfte des flüssigen Einsatzmaterials wird dann im wesentlichen in Querrichtung in Form kompakter Ströme in den erhaltenen Strom heißer Verbrennungsgase vom äußeren Umfang her nach innen zum Kern der Verbrennungsgase hin durch drei unbehinderte Öffnungen eingeleitet, von denen jede eine Größe von 2,26 mm besitzt und die sich etwa am Mittelpunkt der Länge der Übergangszone befinden, wo die maximale Geschwindigkeit des Stroms der Verbrennungsgase erreicht wird. Die Übergangszone der Apparatur hat einen Durchmesser von 264 mm und eine Länge von 279 mm. Der Reaktor-Abschnitt hat einen Durchmesser von 457 mm, und die Reaktion wird beendet durch Abschrecken an einer Stelle, die 2,13 m stromabwärts von der Ebene liegt, wo der Strom der Verbrennungsgase Maximalgeschwindigkeit erreicht hat, d. h., etwa dem Mittelpunkt der Übergangszone. Die Reaktion wird so durchgeführt, daß die Gesamt-Verbrennung bei dem Verfahren 35% beträgt. In diesem Beispiel waren die Öffnungen, durch die das Einsatzmaterial in den Verbrennungsstrom geringerer Geschwindigkeit eingeleitet wurde, über den Umfang in solcher Weise angeordnet, daß das Einspritzen unter einem Winkel von 60° relativ zu den Öffnungen erfolgte, durch die das Einsatzmaterial ungefähr am Mittelpunkt der Übergangszone eingeleitet wurde. Die analytischen Charakteristika und die Charakteristika der Gebrauchseigenschaften dieses Rußes sind in den Tabellen I bis III angegeben, worin dieser Ruß als Kontrolle für den Ruß aus Beispiel Nr. 2 dient.

Beispiel 2

Nach der Arbeitsweise von Beispiel 1 und unter Benutzung der gleichen Apparatur werden auf 644°K vorgeheizte Luft in einer Durchsatzmenge von 3,146 m n/s (400 k.s.c.f.h.) und Erdgas in einer Durchsatzmenge von 0,135 m n/s (17,2 k.s.c.f.h.) zugeführt, um die gewünschte primäre Verbrennung von 240% zu erzielen. 60% des flüssigen Einsatzmaterials, das mit einer Gesamt- Zuflußmenge von 0,657 l/s (625 g.p.h.) eingeleitet wird, wird dann vom inneren Umfang radial auswärts in den Strom der Verbrennungsgase in einer Einspritzebene 355,6 mm (14 inches) stromaufwärts von dem Punkt eingeleitet, wo der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht hat. Das hierin verwendete Einsatzmaterial ist EXXON-Öl mit einem Kohlenstoff- Gehalt von 88,6 Gew.-%, einem Wasserstoff-Gehalt von 7,82 Gew.-%, einem Schwefel-Gehalt von 3,2 Gew.-%, einem Verhältnis Wasserstoff zu Kohlenstoff von 1,05, einem BMCI-Wert (Bureau of Mines Correlation Index) von 128, einem spezifischen Gewicht gemäß ASTM D 287 von 1,09, einer API-Dichte (American Petroleum Institute, New York) gemäß ASTM D 287 von -1,1, einer Viskosität (gemäß ASTM D 88) von 292 Saybolt-Sekunden bei 327,6°K und einer Viskosität von 55 Saybolt-Sekunden bei 372,0°K sowie einem Asphalten-Gehalt von 4,3 Gew.-%. Das Einsatzmaterial wird in Form kompakter Ströme in radialer Richtung durch drei unbehinderte Öffnungen eingespritzt, von denen jede einen Durchmesser von 2,54 mm besitzt. Die verbleibenden 40% des Einsatzmaterials werden als kompakte Ströme durch drei unbehinderte Öffnungen, von denen jede eine Größe von 1,98 mm besitzt, vom äußeren Umfang radial einwärts in den Strom der Verbrennungsgase an dem Punkt eingeleitet, wo der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht hat, d. h., etwa am Mittelpunkt der Übergangszone. Die Reaktion wird so durchgeführt, daß die Gesamt-Verbrennung 35,2% beträgt, und die Reaktion wird beendet durch Abschrecken mit Wasser an einer Stelle, die 2,13 m stromabwärts von der Ebene liegt, wo der Strom der Verbrennungsgase Maximalgeschwindigkeit erreicht. In diesem Fall sind die Öffnungen, durch die das Einsatzmaterial in den Verbrennungsstrom geringerer Geschwindigkeit eingeleitet wird, über den Umfang in solcher Weise angeordnet, daß das Einspritzen unter einem Winkel von 15° relativ zu den Öffnungen erfolgte, durch die das Einsatzmaterial am Mittelpunkt der Übergangszone eingeleitet wurde. Die analytischen und physikalischen Eigenschaften der Ruße sind in den Tabellen I bis III angegeben.

Tabelle I

Analytische Eigenschaften

Die Eignung der Ruße gemäß der vorliegenden Erfindung als niedrig-hysteretische Verstärkungsmittel für Kautschuk- Zusammensetzungen geht aus den folgenden Tabellen deutlich hervor. Zur Bewertung der Ruße werden die Kautschuk- Zusammensetzungen in einfacher Weise mittels herkömmlicher Verfahren hergestellt. Zum Beispiel werden Kautschuk und Ruß mittels einer üblichen Mischmaschine wie eines Banbury-Mischers und/oder eines Walzenmischers innig miteinander vermischt, um eine befriedigende Dispergierung sicherzustellen. Die Kautschuk- Formulierungen werden entsprechend Standard-Formulierungen der Industrie für Naturkautschuk und für synthetischen Kautschuk enthaltende Formulierungen kompoundiert. Die erhaltenen Vulkanisate werden für die Dauer der bei der Bestimmung der speziellen physikalischen Eigenschaft angegebenen Zeitspanne vernetzt. Für die Bewertung der Gebrauchseigenschaften der Ruße gemäß der vorliegenden Erfindung werden die nachstehenden Formulierungen verwendet, in denen die Mengen als Gewichts-Teile angegeben sind.

Tabelle II

Kautschuk-Formulierungen

Tabelle III

Physikalische Eigenschaften von Vulkanisaten aus Naturkautschuk und aus synthetischem Kautschuk

Die vergleichende Betrachtung der Tabellen I bis III ergibt, daß eine Verringerung des Winkels zwischen den Öffnungen, durch die das Einsatzmaterial in den Strom der Verbrennungsgase in den Bereich niedrigerer Geschwindigkeit und in die Übergangszone eingespritzt wird, eine Abnahme der Farbstärke der erzeugten Ruße bewirkt. Außerdem ist auch zu beachten, daß die Werte für die Elastizitäts-Eigenschaften bei den Formulierungen sowohl des Naturkautschuks als auch des synthetischen Kautschuks ebenfalls verbessert wurden.

Beispiel 3

Die in Beispiel 3 angewandte Arbeitsweise und eingesetzte Apparatur sind identisch mit denjenigen des Beispiels 2. In diesem Falle war Ziel des Versuchs, die Auswirkungen der Veränderung des Winkels zwischen den Öffnungen, durch die das Einsatzmaterial in den Strom der Verbrennungsgase niedrigerer Geschwindigkeit und an der Stelle maximaler Geschwindigkeit eingespritzt wird, aufzuzeigen. Der Winkel wurde dadurch verändet, daß der Ort der Öffnungen, durch die das Einsatzmaterial in den Strom der Verbrennungsgase niedrigerer Geschwindigkeit eingespritzt wurde, durch Drehen in Umfangsrichtung verändert wurde. In der folgenden Tabelle IV sind die beobachteten Werte bei Veränderung des Winkels von der 60°-Position in die 30°-Position, in die 15°-Position und schließlich in die 0°-Position (Überdeckung) angegeben. Die Werte zeigen einen Trend zu einer Abnahme der Werte der Farbstärke, wenn der Winkel zwischen den Öffnungen in den Ebenen der Einspritzung verkleinert wird, wobei die niedrigste Farbstärke bei der überdeckenden Winkelposition (0°) auftritt. Darüber hinaus offenbaren die Daten einen definitiven Trend zur Erniedrigung der DBP des flockigen Rußes. Auf diese Weise bewirkt im vorliegenden Fall die Anwendung der Arbeitstechnik die Steuerung der Struktur der Ruße auf andere Weise als durch die Verwendung von Kalium-Additiven, die andere Eigenschaften nachteilig beeinflussen können.

Tabelle IV

Claims

1. Stufenweises Verfahren zur Herstellung von Ofen-Rußen, wobei in einer ersten Zone ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel unter Bildung eines Stroms heißer Verbrennungsgase umgesetzt werden, deren Energie für die Umwandlung eines rußliefernden flüssigen Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials in Ruß ausreicht, und wobei in einer zweiten Zone flüssiges Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial peripher in Form mehrerer kohärenter Strahlen in den Strom gasförmiger Verbrennungsprodukte in einer Richtung im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Stroms der Verbrennungsgase und unter einem Druck, der zur Erzielung des für eine angemessene Scherwirkung und Vermischung des Einsatzmaterials erforderlichen Grads des Eindringens ausreicht, in einer Einspritzebene eingespritzt wird, an der der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht hat, und wobei in einer dritten Zone das Einsatzmaterial zersetzt und in Ruß umgewandelt wird und danach die Rußbildungsreaktion durch Abschrecken beendet und der Ruß dann abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des flüssigen Kohlenwasserstoff- Einsatzmaterials in Form mehrerer kohärenter Strahlen im wesentlichen radial in den Strom der Verbrennungsgase von deren Umfang her vor der Einspritzebene, an der der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht, eingeleitet wird, der Rest des Einsatzmaterials in Form mehrerer kohärenter Strahlen im wesentlichen radial in den Strom der Verbrennungsgase von deren Umfang her annähernd am Mittelpunkt der Übergangszone, wo der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht hat in einer weiteren Ebene eingeleitet wird, und die Öffnungen der einen Ebene zum Einspritzen des flüssigen Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials relativ zu denen in der anderen Einspritzebene, durch die jeder Teil des Einsatzmaterials eingeleitet wird, derart angeordnet sind, daß die Achsen der kohärenten Strahlen relativ zueinander um einen Winkel von weniger als 60° gedreht sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der kohärenten Strahlen relativ zueinander um einen Winkel im Bereich von 0° bis 30° gedreht sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der kohärenten Strahlen einer Ebene sich mit den Achsen der kohärenten Strahlen der anderen Ebene überdecken.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des flüssigen Einsatzmaterials, die in den Strom der Verbrennungsgase in einer Einspritzebene vor der Stelle eingeleitet wird, an der der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht, im Bereich von 20% bis 80%, vorzugsweise 40% bis 60% der Gesamtmenge des eingespritzten Einsatzmaterials liegt, während der Rest des flüssigen Einsatzmaterials annähernd am Mittelpunkt der Übergangszone in einer weiteren Einspritzebene eingeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial, das in den Strom der Verbrennungsgase in einer Einspritzebene vor der Stelle eingeleitet wird, an der der Strom der Verbrennungsgase maximale Geschwindigkeit erreicht hat, im wesentlichen in Querrichtung vom inneren Umfang des Stroms der Verbrennungsgase nach außen hin eingespritzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial, das in den Strom der Verbrennungsgase in einer Einspritzebene an der Stelle eingeleitet wird, an der die maximale Geschwindigkeit erreicht ist, im wesentlichen in Querrichtung vom äußeren Umfang des Stroms der Verbrennungsgase nach innen eingespritzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial, das in den Strom der Verbrennungsgase in einer Einspritzebene an der Stelle eingeleitet wird, an der die maximale Geschwindigkeit erreicht ist, im wesentlichen in Querrichtung vom äußeren Umfang des Stroms der Verbrennungsgase nach innen eingespritzt wird.