DE69200447T2

DE69200447T2 - Erzeugung von russen.

Info

Publication number: DE69200447T2
Application number: DE69200447T
Authority: DE
Inventors: Bruce Edwin Framingham Ma 01701 Mackay; Mark Allan Lexington Ma 02173 Wilkinson; Barrie John Lexington Ma 02173 Yates
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1992-02-20
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2012-02-21
Also published as: CA2100350C; EP0573546A1; KR960010308B1; CZ173993A3; WO1992015646A1; EP0573546B1; ES2060471T3; JP2614965B2; AR245759A1; HU9302429D0; CZ283068B6; CN1042737C; CA2100350A1; RU2110542C1; HUT66677A; AU660133B2; CN1064492A; DE69200447D1; RO115529B1; MY140221A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Rußen.

Hintergrund

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Rußen, die viele wichtige Anwendungen haben wie z. B. als Füllstoffe, Pigmente und Verstärkungsmittel in Kautschuken und Kunststoffen. Allgemein beinhaltet das Furnaceverfahren zur Herstellung dieser Ruße das Kracken und/oder unvollständige Verbrennung eines Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials wie Erdgas oder katalytisches Kracker-Rückführöl in einer geschlossenen Umwandlungszone bei Temperaturen oberhalb von 1255 K (1800 ºF), um Ruß zu erzeugen. Der in den Gasen, die aus der Umwandlungszone entweichen, mitgeführte Ruß wird dann abgekühlt und mittels irgendeiner geeigneten Vorrichtung, die üblicherweise in der Technik verwendet wird, gesammelt. Es ist jedoch äußerst schwierig und normalerweise unwirtschaftlich geworden, Furnaceruße herzustellen, die geringere Struktur- und Oberflächen-Eigenschaften haben, als solche, die sich normalerweise bei der Verwendung irgendeines besonderen Einsatzmaterials ergeben.
Demgemäß ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein neues und verbessertes Verfahren zur Herstellung von Rußen bereitzustellen, die geringere als übliche Struktur bei einer gegebenen Oberfläche und geringere als normale Oberfläche bei einem gegebenen Gesamt-Verbrennungs-Niveau aufweisen.
Wie hierin verwiesen wird und wie dem Fachmann bekannt ist, stellt die Gesamt-Verbrennung die gesamte Menge an Oxidationsmittel wie Luft - die in dem Ruß bildenden Verfahren verwendet wird - in Bezug zu der Menge an Oxidationsmittel dar, die für die vollständige Verbrennung der Gesamtmenge an Kohlenwasserstoff, die für das Ruß bildende Verfahren unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser verwendet wird, benötigt wird. Die Gesamt-Verbrennung wird üblicherweise als ein Prozentanteil ausgedrückt.
Gemäß dem Stand der Technik sind auch die folgenden Verfahren bekannt, die Hilfskohlenwasserstoff-Zugabe einschließen, die aber von dem vorliegenden Verfahren wie folgt abweichen.
In dem Verfahren, das in US-A-2 782 101 beschrieben ist, wird Hilfskohlenwasserstoff verwendet, um oxidierende Komponenten der Gicht-Flammengase vor dem Vermischen mit dem Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial zu neutralisieren. Im Unterschied zu dem Verfahren dieses Patents, ist es bei der vorliegenden Erfindung nicht beabsichtigt, den Hilfskohlenwasserstoff zur Neutralisation der oxidierenden Komponenten der heißen Gicht- Flammengase zu verwenden. Im Gegenteil dazu tritt der Hilfskohlenwasserstoff in der vorliegenden Erfindung in die Reaktionzone in einer im wesentlichen nicht-reagierten Form ein.
Weiterhin unterscheidet sich das vorliegende Verfahren von dem Verfahren des US-A-3 952 087, in dem ein Hilfskohlenwasserstoff in ein Mehrstufen-Verfahren eingeführt wird, um Ruße herzustellen, die höhere als normale Struktur aufweisen. Wenn Hilfskohlenwasserstoff unter den Betriebsbedingungen dieses Patents eingeführt wird und die Oberfläche durch abnehmende Einsatzmaterial-Fließgeschwindigkeit zu dem Reaktor konstant gehalten wird, nimmt die Struktur zu, wodurch sich ein nachstehend definierter Struktur-Empfindlichkeits-Index (SSI) ergibt, der größer als null ist, während in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung der Struktur-Empfindlichkeits-Index geringer als null sein muß, um Ruße herzustellen, die geringere als normale Struktur und Oberflächen-Niveaus haben. Die Absicht der Patentinhaberin von US-A-3 952 087 ist es, unter Bedingungen zu arbeiten, bei denen der SSI-Wert immer größer als null ist, während bei dem vorliegende Verfahren beabsichtigt wird, unter Bedingungen zu arbeiten, bei denen der SSI-Wert immer geringer als null ist.
Der SSI-Wert eines Kohlenstoff bildenden Verfahrens ist ein Maß für die Fähigkeit der Hilfskohlenwasserstoff-Injektion in diesem Verfahren, die Struktur des so gebildeten Rußes zu reduzieren, im Verhältnis zu dem gleichen Kohlenstoff bildenden Verfahren, das Ruß mit der gleichen Oberfläche, aber ohne Hilfskohlenwasserstoff-Zugabe erzeugt. Insbesondere wird die folgende Gleichung verwendet, um den Struktur-Empfindlichkeits-Index zu definieren:
worin SASmf die Struktur-Flächen-Empfindlichkeit (SAS) des Ruß bildenden Verfahrens ist, wenn zusätzliches Einsatzmaterial eingeführt wird, und SASah stellt das SAS des Ruß bildenden Verfahrens dar, wenn Hilfskohlenwasserstoff eingeführt wird. Die Struktur-Flächen-Empfindlichkeit wird unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:
worin ΔDBP die DBPA-Änderung des Rußes aufgrund einer Änderung einer einzigen Betriebsbedingung darstellt und ΔIodzahl die Änderung der Iodabsorptionszahl des Rußes aufgrund der gleichen Änderung einer einzigen Betriebsbedingung darstellt, z.B., wenn entweder die Fließgeschwindigkeit des Einsatzmaterials oder des Hilfskohlenwasserstoffs geändert wird. Das SAS quantifiziert die Wirkung auf die Struktur einer Änderung der Oberfläche.
Der Ausdruck "Hilfskohlenwasserstoff", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf Wasserstoff oder irgendeinen Kohlenwasserstoff, der ein molares Wasserstoff-zu-Kohlenstoff- Verhältnis aufweist, das größer ist als das molares Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis des Einsatzmaterials. Beispielhafte Kohlenwasserstoffe umfassen solche Materialien, die nachstehend als geeignet zur Verwendung als Brennstoffe und/oder Einsatzmaterialien beschrieben werden.
Weiterhin unterscheidet sich das vorliegende Verfahren von dem in US-A-2 985 511 beschriebenen Verfahren, in dem Hilfsgas in die Zone gegeben wird, in der Einsatzmaterial gleichzeitig eingeführt wird, um unabhängig davon die Struktur zu variieren, ohne die Ruß-Teilchengröße zu beeinträchtigen. Demgegenüber nimmt bei der vorliegenden Erfindung die Oberfläche ab. Eine Oberflächenabnahme ist normalerweise mit einer Zunahme der Teilchengröße verbunden, was daher illustriert, daß die Teilchengrößen der Ruße des vorliegenden Verfahrens zunehmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß die obigen und noch weitere Aufgaben durch Zugabe von Hilfskohlenwasserstoff zu einem spezifischen Ruß-bildenden Verfahren und einer derartigen Einstellung der primären Verbrennung und der Gesamt-Verbrennung, daß ein SSI von weniger als null, wie nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird, erhalten wird, gelöst werden können. Der Hilfskohlenwasserstoff wird in das Ruß bildende Verfahren der vorliegenden Erfindung in jeder geeigneten Form eingeführt, mit der Maßgabe, daß nichtreagierter Hilfskohlenwasserstoff an einem Ort in dem Verfahren eintritt, der nachstehend als Reaktionszone definiert wird. Unter diesem Ausdruck "Reaktionszone" wird die Zone in dem Ruß bildenden Verfahren verstanden, in der das vorher eingeführte, vermischte, pulverisierte und verdampfte Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial gerade den hauptsächlichen Kohlenstoff bildenden Reaktionen zur Bildung der Kohlenstoff- Teilchen unterliegt. Insbesondere bezieht sich die Reaktionszone - wie sie hierin verstanden wird - in der vorliegenden Erfindung auf einen Punkt, der von dem Ort des Einspritzens des Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials ausgeht und sich stromabwärts zu dem Punkt erstreckt, an dem das Ruß bildende Verfahren durch Abschrecken beendet wird. Vorzugsweise erstreckt sich der Bereich, in dem der Hilfskohlenwasserstoff eingespritzt wird, von etwa 0,5 Reaktordurchmesser-Längen stromaufwärts des Punkts der Einsatzmaterial-Einspritzung zu einem Punkt von etwa 0,5 Reaktordurchmeser-Längen stromabwärts des Punkts der Beschickungsmaterial-Einspritzung. Bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung kann der Hilfskohlenwasserstoff in den Prozeßstrom auf irgendeine gebräuchliche Weise eingespritzt werden, wie z. B. durch eine Öffnung, durch die ein Ausströmen in einer Richtung axial, quer oder tangential zu der Richtung des Flusses des gasförmigen Stroms erfolgt. Weiterhin ist der Punkt in dem Verfahren, an dem der Hilfskohlenwasserstoff eingeführt wird, nicht kritisch, so lange Hilfskohlenwasserstoff schließlich an der Reaktionszone in einer im wesentlichen nicht-reagierten Form ankommt, worunter eine noch nicht vollständig oxidierte oder reagierte Form verstanden wird, um so Ruß-Teilchen zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hilfskohlenwasserstoff gasförmig und er wird quer zum äußeren Umfang in das Ruß bildende Verfahren an der axialen Ebene eingeführt, an der das Einsatzmaterial quer zum äußeren Umfang in den Strom heißer Vorstufen-Gase eingespritzt wird.
Der Ausdruck "Struktur" wie er hierin in Bezug auf Ruße verwendet wird, definiert eine primäre Eigenschaft des Rußes. Im allgemeinen wird der Ausdruck in der Technik verwendet, um den Grad der Aggregation der primären Teilchen eines Rußes zu bezeichnnen. Da alle Ruße einen gewissen Grad an Aggregation der primären Teilchen aufweisen, wird ein bestimmter Ruß klassifiziert als ein Ruß mit einer geringen, normalen oder hohen Struktur, in Abhängigkeit von dem relativen Grad der dabei vorliegenden Aggregation. Eine Beschreibung der Klassifizierungen zwischen geringer, normaler oder hoher Struktur ist im allgemeinen nicht gut definiert. Üblicherweise wird die Struktur des Rußes als hoch angesehen, wenn eine starke Tendenz der Teilchen vorliegt, Ketten von Teilchen zu bilden. Andererseits wird die Struktur des Rußes als gering angesehen, wenn eine geringe Tendenz der Teilchen vorliegt, Ketten von primären Teilchen zu bilden. Da eine direkte Messung der Struktur-Eigenschaften von Rußen möglich ist, konnte gezeigt werden, daß ein gleichfalls verläßliches und bequemeres Verfahren zur Bestimmung der Struktur von Rußen Messungen der Ölabsorptions-Eigenschaften der Ruße beinhaltet.
Es ist dieser Typ der Ölabsorptions-Technik zur Bestimmung von Struktur-Eigenschaften von Rußen, der von der Technik akzeptiert wurde, und als ASTM Testmethode D-2414-72, betitelt "Dibutyl Phthalate Absorption Number of Carbon Black", bezeichnet wird. Kurzgesagt, die Testmethode beinhaltet die Zugabe von Dibutylphthalat (DBP) zu einer Ruß-Probe in flokkiger oder pelletisierter Form, in einem Brabender-Cabot Absorptometer, hergestellt und verkauft von C.W. Brabender Instruments, Inc., South Hackensack, New Jersey, und Messen des Volumens des verbrauchten Dibutylphthalats. Der Wert wird in cm³ oder ml an Dibutylphthalat (DBP) pro 100 Gramm Ruß ausgedrückt. Für Zwecke der Bestimmung der Struktur von Rußen wird diese Ölabsorptions-Technik unter Verwendung von Dibutylphthalat hierin angewendet.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann durch Einspritzen eines Ruß-ergebenden Einsatzmaterials, im wesentlichen transversal, in einen vorgebildeten Strom heißer Gase, die in einer Stromabwärts-Richtung mit einer durchschnittlichen linearen Geschwindigkeit von wenigstens 30,5 m/s (100 Fuß/s), und vorzugsweise von wenigstens 152,5 m/s (500 Fuß/s) strömen, durchgeführt werden. Das Einsatzmaterial kann transversal in die Vorstufengase von dem äußeren Umfang des Stroms her eingespritzt werden und/oder das Einsatzmaterial kann im wesentlichen axial und/oder transversal von einem Ort aus, der nahe dem Zentrum des Vorstufen-Gasstroms liegt, eingespritzt werden.
Eine wesentliche Eigenschaft des vorliegenden Verfahrens liegt darin, daß unter Betriebsbedingungen der primären und Gesamtverbrennungs-Niveaus gearbeitet wird, bei denen der Struktur-Empfindlichkeits-Index (SSI), wie vorstehend definiert, geringer als null ist. Eine weitere wesentliche Eigenschaft ist die Einführung von Hilfskohlenwasserstoff in das mehrstufige, Kohlenstoff bildende Verfahren, so daß Hilfskohlenwasserstoff in die Reaktionszone in einem im wesentlichen nicht-reagierten Zustand eintritt, um ein SSI von kleiner als null zu ergeben. Wie vorstehend festgestellt wurde, befindet sich die Reaktionszone, wie sie hierin definiert ist, an einem Punkt, der an dem Ort der Einspritzung des Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials beginnt und sich typischerweise stromabwärts zu einem Punkt erstreckt, an dem das rußbildende Verfahren durch Abschrecken beendet wird. Als ein Ergebnis dieses Verfahrens weisen die so hergestellten Ruße geringere Struktur-Niveaus auf, wie durch die Abnahmen an Dibutylphthalat-Absorptionszahlen von mehr als 5 % angegeben ist, bei einer gegebenen Oberfläche und geringeren Oberflächen, wie durch die Abnahmen der Iod-Absorptionszahlen um wenigstens 3% bei einer gegebenen Gesamtverbrennung angegeben ist.
Wie hierin erwähnt wurde, stellt die primäre Verbrennung die Menge an Oxidationsmittel wie Luft dar, die in der ersten Stufe des mehrstufigen Verfahrens verwendet wird, in Bezug zur theoretischen Menge an Oxidationsmittel, die zur vollständigen Verbrennung des Kohlenwasserstoffs der ersten Stufe zu Kohlendioxid und Wasser benötigt wird. Aus Gründen der Bequemlichkeit wird die primäre Verbrennung prozentual angegeben. In Fällen, in denen kein Kohlenwasserstoff zu der ersten Stufe gegeben wird, ist die primäre Verbrennung unendlich (∞ %). Geeignete Kohlenwasserstoffe und Oxidationsmittel werden nachstehend beschrieben.
Zur Herstellung der heißen Vorstufengase, die zur Herstellung der Ruße der vorliegenden Erfindung verwendet werden, werden vorzugsweise in einer Verbrennungskammer ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff und ein geeigneter Sauerstoffstrom wie Luft, Sauerstoff, Mischungen aus Luft und Sauerstoff u. dgl. umgesetzt. In den Brennstoffen, die zur Verwendung der Reaktion mit dem Sauerstoffstrom in der Verbrennungskammer zur Bildung der Vorstufen-Gase geeignet sind, sind alle leicht verbrennbaren Gase, Dämpfe ode flüssigen Ströme wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Acetylen, Alkohole, Kerosin eingeschlossen. Allgemein wird jedoch bevorzugt, Brennstoffe zu verwenden, die einen hohen Gehalt an Kohlenstoff enthaltenden Komponenten aufweisen, und insbesonders Kohlenwasserstoffe. Z.B. Ströme, die reich an Methan sind wie Erdgas und modifiziertes oder angereichertes Erdgas, sind ausgezeichnete Brennstoffe, wie es auch andere Ströme sind, die hohe Mengen an Kohlenwasserstoffen enthalten, wie verschiedene Kohlenwasserstoffgase und -flüssigkeiten und Raffinerie-Nebenprodukte, einschließlich Ethan-, Propan-, Butan- und Pentan- Fraktionen, Brennöle u.dgl. Darüber hinaus wird in der ersten Stufe des bevorzugt mehrstufigen Furnace-Verfahrens auf Temperaturen von typischerweise im Bereich von 1088 K (1500 ºF) vor-erhitzte Luft als das Oxidationsmittel und Erdgas als der Brennstoff zur Erzeugung des primären Verbrennungsfeuers ver-wendet. Während die primäre Verbrennung von 100 % bis ∞ % reichen kann, variiert der bevorzugte prozentuale Anteil der ersten oder Vorstufen-Verbrennung von etwa 140 bis etwa 1000 %.
Auf diese Weise wird ein Strom heißer Gase erzeugt, der mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von mehr als 30,5 cm/s strömt. Darüber hinaus wurde gefunden, daß ein Druckunterschied zwischen der Verbrennungskammer und der Reaktionskammer von wenigstens 6,9 kPa (1,0 psi) und vorzugsweise etwa von 10,3 kPa bis 68,9 kPa (1,5 bis 10 psi) erwünscht ist. Unter diesen Bedingungen wird ein gasförmiger Strom gebildet, der genügend Energie aufweist, um ein Ruß ergebendes, kohlenwasserstoffartiges Einsatzmaterial zu den erwünschten Ruß-Produkten umzuwandeln. Die sich ergebenden Gase, die aus der ersten Stufe entweichen, erreichen Temperaturen von wenigstens etwa 590 K (600 ºF), wobei die am meisten bevorzugten Temperaturen wenigstens bei über etwa 1144 K (1600 ºF) liegen. Die heißen Gase werden in einer Stromabwärts-Bewegung vorangetrieben und durch Einführung der Gase in eine vorliegende Einsatzmaterial-Einspritz-Stufe von kleinerem Durchmesser beschleunigt, die, falls erwünscht, verjüngt ist oder drosselnd wirkt, wie eine gebräuchliche Venturi-Einschnürung. An diesem Punkt des Verfahrens, der als die zweite Stufe betrachtet werden kann, wird vorzugsweise das Einsatzmaterial in den Strom heißer Vorstufengase eingespritzt. Alternativ kann Einsatzmaterial an jedem Punkt nach dem Punkt, an dem die Verbrennung der ersten Stufe, falls überhaupt eine erfolgt, vollständig ist, eingespritzt werden.
Insbesonders wird in der zweiten Stufe, in der die Vorstufengase mit hoher Geschwindigkeit wandern und wo ein gaskinetischer Strömungsdruck von wenigstens etwa 6,9 kPa (1,0 psi) vorliegt, ein geeignetes rußergebendes Kohlenwasserstoff- Einsatzmaterial in die Vorstufengase unter genügendem Druck eingespritzt, um erwünschte Durchdringung zu erreichen, wobei eine hohe Geschwindigkeit des Vermischens und Scherens der Vorstufengase und des Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterials gewährleistet wird. Als Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterialien - wie sie hierin verwendet werden -, die sich leicht unter den Reaktionsbedingungen verflüchtigen, sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie Acetylen; Olefine wie Ethylen, Propylen, Butylen; Aromaten wie Benzol, Toluol und Xylol; bestimmte gesättigte Kohlenwasserstoff und andere Kohlenwasserstoffe wie Kerosine, Naphthaline, Terpene, Ethylen-Teere, aromatische Rückführöle u. dgl.geeignet. Das Einsatzmaterial kann im wesentlichen transversal von dem äußeren Umfang des Stroms heißer Vorstufengase aus in Form einer Vielzahl von kohärenten oder feinstzerstäubten Strömen eingespritzt werden, die in die inneren Bereiche des Stroms der Vorstufengase eindringen. Alternativ kann das Einsatzmaterial im wesentlichen axial oder transversal von dem inneren Umfang des Stroms heißer Vorstufengase aus in Form eines einzigen oder einer Vielzahl von kohärenten oder feinstzerstäubten Strömen eingespritzt werden. In der Praxis der vorliegenden Erfindung wird das Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial vorzugsweise in Form von Flüssigkeitsströmen mittels Hindurchpressen des flüssigen Einsatzmaterials durch eine Vielzahl von Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,25 cm bis 0,508 cm (0,01 bis 0,20 inch), und vorzugsweise von 0,51 cm bis 0,381 cm (0,02 bis 0,15 inch), bei einem Einspritzdruck eingeführt, der ausreichend ist, um das erwünschte Durchdringen und/oder Zerstäuben zu erreichen. Die Menge des verwendeten Einsatzmaterials wird in Bezug auf die Mengen an verwendetem Brennstoff und Oxidationsmittel so eingestellt, daß man zu einer prozentualen Gesamtverbrennung für das rußbildende Verfahren von etwa 10 bis etwa 60 % und vorzugsweise von etwa 15 bis etwa 35 % kommt.
Eine dritte Stufe des mehrstufigen Verfahrens umfaßt die Bereitstellung einer Reaktionszone, die ausreichende Verweilzeit gewährleistet, damit die rußbildende Reaktion vor der Beendigung der Reaktion durch Abschrecken erfolgen kann. Im allgemeinen variieren die Verweilzeiten, obwohl die Verweilzeit in jedem Augenblick von den besonderen Bedingungen und dem besonderen erwünschten Ruß abhängen, des vorliegenden Verfahrens von so geringen Werten wie 1 Millisekunde oder weniger bis zu mehr als etwa 500 Millisekunden. Demgemäß wird, nachdem die rußbildende Reaktion während einer erwünschten Zeitspanne erfolgte, die Reaktion durch Einsprühen einer Quench-Flüssigkeit wie Wasser, die aus wenigstens einer Sprühdüse austritt, beendet. Die heißen Abgase, die Ruß-Produkte darin suspendiert enthalten, werden dann stromabwärts zu den gebräuchlichen Stufen des Kühlens, Abtrennens und Einsammeln des Rußes geführt. Die Trennung des Rußes von dem Gasstrom erreicht man leicht durch gebräuchliche Mittel wie Abscheider, Cyclonen-Trennvorrichtung, Sackfilter oder deren Kombinationen.
Andere und verschiedene Aufgaben, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann bei der Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung und der Ansprüche klar werden.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird durch Zugabe von Hilfskohlenwasserstoff zu der Reaktionszone des mehrstufigen rußbildenden Verfahrens und Anpassung der ersten Verbrennung und der Gesamt-Verbrennung, so daß der SSI-Wert des Verfahrens geringer als null ist, durchgeführt. Eine mathematische Eigenschaft des Struktur-Empfindlichkeits-Index ist die, daß, wenn die Oberfläche des Rußes durch Zugabe von Hilfskohlenwasserstoff und Entfernen von Einsatzmaterial konstant gehalten wird, und wenn die Struktur, wie durch DBPA gemessen wird, abnimmt, und wenn die Einführung von zusätzlichem Einsatzmaterial in das Verfahren, wobei alle anderen Eingaben konstant gehalten werden, zu einer Herstellung von Rußen geringerer Oberfläche führt, dann muß der SSI-Wert kleiner als null sein. Desweiteren, wenn die oben aufgezeigten Bedingungen für ein Vorliegen an SSI von kleiner als null nicht vorliegen, so daß die Struktur, wie durch DBPA gemessen wird, zunimmt, dann ist der SSI-Wert notwendigerweise größer als null.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann jede Menge an Hilfskohlenwasserstoff verwendet werden, vorausgesetzt, daß Hilfskohlenwasserstoff die Reaktionszone im wesentlichen im nicht-reagierten Zustand erreicht. Allgemein ist, wenn Kohlenwasserstoff als der Hilfskohlenwasserstoff verwendet wird, der prozentuale C-Anteil des verwendeten Hilfskohlenwasserstoffs geringer als etwa 60 Gew.-% des Gesamt-Kohlenstoffgehalts der Reaktionsteilnehmer, und wenn Wasserstoff als der Hilfskohlenwasserstoff verwendet wird, ist der prozentuale H- Anteil des verwendeten Hilfskohlenwasserstoffs weniger als etwa 60 Gew.-% des Gesamt-Wasserstoffgehalts der Reaktionsteilnehmer. Vorzugsweise ist, wenn ein gasförmiger Kohlenwasserstoff als ein Hilfskohlenwasserstoff verwendet wird, die Menge derartig, daß der prozentuale C-Gehalt des zugegebenen Hilfskohlenwasserstoffs weniger als 30 %, und vorzugsweise weniger als 15 % der Gesamt-Kohlenstoffeingabe der Reaktionsteilnehmer, und wenn Wasserstoff als ein Hilfskohlenwasserstoff verwendet wird, ist die Menge derartig, daß der prozentuale H-Gehalt des zugegebenen Hilfskohlenwasserstoffs weniger als 30 %, und vorzugsweise weniger als 15 % der Gesamt-Wasserstoffeingabe der Reaktionsteilnehmer ist.
Die Menge an hierin verwendetem Hilfskohlenwasserstoff, sowohl in gasförmiger als auch in flüssiger Form, ist definiert als der prozentuale Anteil an Gesamtkohlenstoff (C)-Eingabe der Reaktionsteilnehmer, der zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird, mit Ausnahme wenn Wasserstoff als der Hilfskohlenwasserstoff verwendet wird, wobei in diesem Fall die Menge an Hilfskohlenwasserstoff definiert ist als der prozentuale Anteil der Gesamtwasserstoff (H)-Eingabe der Reaktionsteilnehmer, der zur Durchführung des Verfahrens verwendet wird. Insbesonders ist für Kohlenwasserstoffe die Menge an verwendetem Hilfskohlenwasserstoff durch die folgende Gleichung bestimmt:
X 100% C an Hilfskohlenwasserstoff = kg(lbs.) C an Hilfskohlenwasserstoff/ Gesamt-kg (lbs.) C der Reaktionsteilnehmer
In dieser Gleichung stellt die Gesamt-Kohlenstoffeingabe der Reaktionsteilnehmer die Summe der Kohlenstoffeingabe der Reaktionsteilnehmer der ersten Stufe, der Kohlenstoffeingabe des Einsatzmaterials und der Kohlenstoffeingabe des Hilfskohlenwasserstoffs dar. Wenn Wasserstoff der Hilfskohlenwasserstoff ist, ist die Menge an verwendetem Hilfskohlenwasserstoff durch die folgende Gleichung bestimmt:
X 100 % H an Hilfskohlenwasserstoff = k(lbs.) H an Hilfskohlenstoff/ Gesamt-kg (lbs). H der Reaktionsteilnehmer
In dieser Gleichung stellt die Gesamt-Wasserstoffeingabe der Reaktionsteilnehmner die Summe der Wasserstoffeingabe der Reaktionsteilnehmer der ersten Stufe, der Wasserstoffeingabe des Einsatzmaterials und der Wasserstoffeingabe des Hilfskohlenwasserstoffs dar.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele leicht verstanden werden. Es gibt natürlich viele andere Formen der Erfindung, die dem Fachmann ersichtlich sind, sobald erst einmal die Erfindung vollständig offenbart ist, und es wird demgemäß klar werden, daß diese Beispiele nur zum Zwecke der Erläuterung dienen und nicht als einschränkend in irgendeiner Weise in Bezug auf den Umfang der vorliegenden Erfindung anzusehen sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung:

Figur 1 ist ein Querschnitt eines Teils eines Typs des Furnaceruß-Reaktors, der verwendet werden kann, um die Ruße der vorliegenden Erfindung herzustellen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Figur 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform des Verfahren der vorliegenden Erfindung. Obwohl ein Teil eines Typs des Furnaceruß-Reaktors in der Figur - wie vorstehend erklärt worden ist- dargestellt ist, kann die vorliegende Erfindung in jedem mehrstufigen Furnaceruß-Reaktor verwendet werden, in welchem Ruß durch Pyrolyse und/oder unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen hergestellt werden kann.
Bezüglich Figur 1 kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Furnaceruß-Reaktor 2 durchgeführt werden, der eine Verbrennungszone 10, die eine Zone von konvergierendem Durchmesser 11 hat, Übergangszone 12, Eintrittsbereich 18 und Reaktionszone 19 aufweist. Der Durchmesser der Verbrennungszone 10 wird bis zu dem Punkt, an dem die Zone des konver-gierenden Durchmessers 11 beginnt, als D-1 gezeigt, der Durchmesser der Zone 12 als D-2, die Durchmesser des abge-stuften Eintrittsbereichs 18 als D-4, D- 5, D-6 und D-7 und der Durchmesser der Zone 19 als D-3. Die Länge der Verbren-nungszone 10 bis zu dem Punkt, an dem die Zone von konver-gierendem Durchmesser 11 beginnt, wird als L- 1 gezeigt, die Länge der Zone von konvergierendem Durchmesser wird als L-2 gezeigt, die Länge der Übergangszone wird als L- 3 gezeigt und die Längen der Stufen in dem Reaktor- Eintrittsbereich 18, als L-4, L-5, L-6 und L-7.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wurde in der Praxis unter Verwendung von vier Reaktions-Eintrittsbereichen 18, die nachstehend weiter identifiziert und definiert werden, durchgeführt.
Bei der Herstellung von Rußen gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können heiße Verbrennungsgase in der Verbrennungszone 10 durch In-Kontakt-Bringen eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs mit einem geeigneten Oxidationsmittelstrom wie Luft, Sauerstoff, Mischungen aus Luft und Sauerstoff u. dgl. erzeugt werden. Alternativ kann ein vorerhitzter Oxidationsmittelstrom durch die Verbrennungszone 10 ohne Zugabe eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs hindurchgeführt werden. Unter den Brennstoffen, die zum In-Kontakt-Bringen des Oxidationsmittelstroms in der Verbrennungszone 10 zur Erzeugung heißer Gase geeignet sind, befinden sich alle leicht verbrennbaren Gase, Dämpfe oder flüssige Ströme wie Erdgas, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Acetylen, Alkohol oder Kerosin. Im allgemeinen werden jedoch bevorzugt Brennstoffe verwendet, die einen hohen Gehalt an Kohlenstoff enthaltenden Komponenten und insbesonders Kohlenwasserstoffe aufweisen. Das Verhältnis von Luft zu Erdgas, das verwendet wird, um Ruße der vorliegenden Erfindung herzustellen, kann von etwa 10:1 bis unendlich betragen, wenn kein Erdgas zu der ersten Stufe gegeben wird. Um die Bildung der heißen Gase zu erleichtern, kann der Oxidationsmittelstrom vorerhitzt werden.
Der heiße Gasstrom strömt stromabwärts von den Zonen 10 und 11 in die Zonen 12, 18 und 19. Die Stömungsrichtung der heißen Gase ist in der Figur durch einen Pfeil angezeigt. Rußergebendes Einsatzmaterial 30 wird an Punkt 32 (in Zone 12 gelegen) und/oder Punkt 70 (in Zone 11 gelegen) eingeführt. Hierzu sind zum Gebrauch als rußbildendes Kohlenwasserstoff- Einsatzmaterial ungesättigte Kohlenwasserstoffe geeignet, die sich unter den Reaktionsbedingungen leicht verflüchtigten, wie Acetylen, Olefine wie Ethylen, Propylen, Butylen, Aromaten wie Benzol, Toluol und Xylol, bestimmte gesättigte Kohlenwasserstoffe und andere Kohlenwasserstoffe wie Kerosine, Naphthaline, Terpene, Ethylen-Teere, aromatische Rückführöle u. dgl..
Der Abstand von dem Ende der Zone des konvergierenden Durchmessers 11 zu Punkt 32 wird als F-1 gezeigt. Allgemein wird rußergebendes Einsatzmaterial 30 in Form einer Vielzahl von Strömen eingespritzt, die in die inneren Bereiche der heißen Vorstufengase eindringen, um eine hohe Geschwindigkeit des Vermischens und Scherens der heißen Vorstufengase und des rußergebenden Einsatzmaterials zu gewährleisten, um so rasch und vollständig das Einsatzmaterial zu Ruß zu zersetzen und in Ruß zu überführen.
Hilfskohlenwasserstoff wird am Punkt 72 durch Sonde 72 oder durch Hilfskohlenwasserstoff-Kanäle 75 in die Wandungen eingeführt, die die Begrenzungen der Zone 12 des rußbildenden Verfahrens bilden, oder durch Hilfskohlenwasserstoff-Kanäle 76 in die Wandungen, die die Begrenzungen der Zonen 18 und/oder 19 des rußbildenden Verfahrens bilden. In der Praxis der vorliegenden Erfindung kann Hilfskohlenwasserstoff an einer axialen Stelle zwischen dem Punkt unmittelbar nach der anfänglichen Verbrennungszone des Brennstoffs der ersten Stufe - falls Brennstoff zu der ersten Stufe gegeben wird - und dem Punkt unmittelbar vor dem Ende der Bildung des Rußes eingeführt werden, mit der Maßgabe, daß nicht-reagierter Hilfskohlenwasserstoff gegebenenfalls in die Reaktionszone eintritt. Der Abstand von Punkt 32 zu Punkt 70 wird als H-1 gezeigt.
In den hierin beschriebenen Beispielen wurde der Hilfskohlenwasserstoff mittels vier Verfahren eingeführt: Als eine Vielzahl von Strömen, die die rußergebenden Einsatzmaterial- Ströme (75) umhüllen, als eine Vielzahl von Strömen an dem äußeren Umfang der Zone 12, die zwischen den primären rußergebenden Einsatzmaterial-Wolken an der axialen Ebene der Einführung des rußbildenen primären Einsatzmaterials (75) gelegen sind, als eine Vielzahl von transveralen Strömen, die nahe dem Zentrum der Zone 12 an der axialen Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung (70) gelegen sind, und durch eine Vielzahl von Strömen an der Peripherie der Zone 18 des rußbildenden Verfahrens (76). Wie jedoch festgestellt werden soll, sind dieselben nur als exemplarisch und nicht einschränkend bezüglich der verwendbaren Verfahren zur Einführung von Hilfskohlenwasserstoff anzusehen.
Die Mischung von rußergebendem Einsatzmaterial und heißen Vorstufengasen strömt stromabwärts durch Zone 12 in die Zone 18 und dann in Zone 19. Quench 60, an Punkt 62 gelegen, Einspritzen von Quench-Flüssigkeit 50, die Wasser sein kann, werden verwendet, um die chemische Reaktion zu stoppen, wenn Ruße gebildet worden sind. Punkt 62 kann auf jede gebräuchliche Weise bestimmt werden, die in der Technik zur Auswahl der Position der Abschreckung bekannt ist, um eine Pyrolyse zu stoppen. Ein Verfahren zur Bestimmung der Lage der Abschrekkung zum Stoppen der Pyrolyse, ist die Bestimmung des Punkts, an dem eine geeignete Toluol-Extraktionsmenge für den Ruß erreicht worden ist. Die Toluol-Extraktionsmenge kann unter Verwendung des ASTM-Tests D1618-83 "Carbon Black Extractables - Toluene Discoloration" gemessen werden. Q ist der Abstand vom Beginn der Zone 18, um Punkt 62 abzuschrecken, und er wird gemäß der Position des Quench 60 variieren.
Nachdem die Mischung aus heißen Vorstufengasen und rußergebendem Einsatzmaterial abgeschreckt worden ist, werden die abgekühlten Gase stromabwärts in irgendeine gebräuchliche Kühl- und Trennvorrichtung geführt, wobei die Ruße gewonnen werden. Die Trennung des Rußes von dem Gasstrom wird leicht durch gebräuchliche Vorrichtungen erreicht wie einem Abscheider, Cylconenabscheider oder Sackfilter. Auf diese Trennung kann ein Granulieren folgen, z. B. mittels eines Naßgranulators.
Die folgenden Testmethoden werden zur Bestimmung der analytischen und physikalischen Eigenschaften der durch die vorliegende Erfindung hergestellten Ruße verwendet.
Iod-Absorptionszahl (I2-zahl): Sie wird gemäß ASTM D-1510-70 bestimmt.
Dibutylphthalat-Absorptionszahl (DBPA) von Rußen: Sie wird, wie hierin vorstehend beschrieben wurde, gemäß ASTM-Testmethode D-2414-72 bestimmt. Die angegebenen Ergebnisse sind für Ruße in nicht-granulierter Form.
Die Wirksamkeit und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden weiterhin durch die folgenden Beispiele illustriert.

Beispiele

Um die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurden Versuche in einem rußerzeugenden Verfahren in einem Reaktor durchgeführt, der im wesentlichen hierin beschrieben und in Figur 1 mit der beschrieben Geometrie abgebildet worden ist. In den nachstehend aufgeführten Beispielen werden vier Reaktor-Entrittsbereiche 18 verwendet. Diese Reaktor-Entrittsbereiche werden nachstehend als Reaktor-Eintrittsbereiche A, B, C und D identifiziert, die die in Tabelle 1 aufgeführten und in Figur 1 dargestellten Maße haben. Tabelle 1: Reaktor-Entrittsbereiche 18, die in den Beispielen verwendet werden Reaktor-Entrittsbereich
Für die Beispiele 1 bis 37 war der Hilfskohlenwasserstoff Erdgas. Für die Beispiele 1 bis 45 war der primäre Brennstoff für die Verbrennungsreaktion Erdgas. In allen Beispielen lag das Erdgas, das zu dem rußbildenden Verfahren gegeben wurde, bei etwa Raumtemperatur von etwa 298 K (77 ºF) vor. Das flüssige Einsatzmaterial, das in den Beispielen 1 bis 40 verwendet wurde, war ein im Handel erhältliches Einsatzmaterial, das die typischen, in der zweiten Spalte der Tabelle 2 aufgeführten Eigenschaften aufwies. Das in den Beispielen 41 bis 45 verwendete flüssige Einsatzmaterial war ein im Handel erhältliches Einsatzmaterial, das die typischen, in der dritten Spalte der Tabelle 2 aufgeführten Eigenschaften aufwies. Tabelle 2: Eigenschaften des primären Einsatzmaterials Beispiele H/C-Verhältnis Wasserstoff (Gew.-%) Kohlenstoff (Gew.-%) Schwefel (Gew.-%) Stickstoff (Gew.-%) API-Dichte - 288,6/288,6K Spezifische Dichte - 288,61288,6 K Viskosität, BMCI (Visc-Grav)
In den Beispielen 1 bis 13 der Tabelle 3 wird die Erfindung so dargestellt, daß darin die Oberfläche und Struktur bei der Zugabe von Hilfskohlenwasserstoff bei ansonsten konstanten Verfahrens-Strömungsgeschwindigkeiten abnimmt. Zwei Niveaus der ersten Verbrennung und zwei Verfahren zur Einführung des Hilfserdgases werden in diesen Beispielen illustriert.

Beispiele 1-5

Bei den Beispielen 1 bis 5 war die Strömungsgeschwindigkeit der ersten Stufe des Erdgases 0,016 SCMS (2,15 KSCFH), die Verbrennungs-Strömungsgeschwindigkeit war 0,634 SCMS (85 KSCFH) und die Verbrennungsluft-Vorheiztemperatur war 755 K (900 ºF). Das sich ergebende primäre Verbrennungsniveau wird als zu 400 % bestimmt. Beispiel 1 stellt einen Kontrollversuch dar, bei dem das rußergebende Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in den sich ergebenden Strom heißer Vorstufengase bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,9 x 10&supmin;&sup4; m³/s (181 gph) durch vier Öffnungen (32) von 0,206 cm (0,081 inch) Durchmesser eingeführt wurde, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase gelegen sind. Das sich ergebende Gesamt-Verbrennungsniveau wird als zu 28,3 % bestimmt. Abschrecken mit Wasser erfolgt an dem Punkt, der etwa 7,93 Meter (25 Fuß) stromabwärts von der Einsatzmaterial- Einspritzung liegt. Es wurde ein Ruß mit einer Iod-Absorptionszahl von 72 mg/g und einem DBPA von 141 cm³/100 g erhalten. In Beispiel 2 waren die Arbeitsbedingungen die gleichen wie jene, die in Beispiel 1 verwendet wurden, mit der Abänderung, daß das Gesamt-Verbrennungsniveau in Beispiel 2 auf 26,4 % durch Zunahme der Einsatzmaterialgeschwindigkeit auf 2,05 x 10&supmin;³ m³/s (195 gph) reduziert wurde. Die Iod- Absorptionszahl des so hergestellten Rußes nahm auf 60 mg/g ab und die DBPA war im wesentlichen unverändert. In Beispiel 3 wurde das Gesamt-Verbrennungsniveau wie in Beispiel 2 durch Konstanthalten der Strömungsgeschwindigkeit bei 1,9 x 10&supmin;&sup4; m³/s (181 gph) wie in Beispiel 1 erhalten, jedoch wurde Hilfserdgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,018 SCMS (2,4 KSCFH) durch vier Öffnungen (75) von 0,635 cm (0,25 inch) eingeführt, die an der axialen Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung zwischen den Einsatzmaterialströmen gelegen ist. Im Gegensatz zu den Ergebnissen des Beispiels 2, ergab sich eine größere Verminderung der Iod-Absorptionszahl auf 43 mg/g, und die DBPA wurde auf 125 cm³/100 g reduziert. Ein SSI-Wert von -5,65 wird aus der Iod-Absorptionszahl und den DBP-Werten der Beispiele 1 bis 3 errechnet, wie unter Fall A in Tabelle 4 aufgeführt ist.
In Beispiel 4 wurden die Arbeitsbedingungen des Beispiels 1 verwendet, mit der Abänderung, daß die Gesamt-Verbrennung weiterhin auf 25,4 % durch Zunahme der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit auf 2,14 x 10&supmin;&sup4; m³/s (203 gph) vermindert wurde. In Beispiel 5 wurde das gleiche Gesamt-Verbrennungsniveau des Beispiels 4 erhalten, indem man stattdessen 0,025 SCMS (3,4 KSCFH) des Hilfserdgases durch vier Öffnungen (75) von 0,635 cm (0,25 Fuß) Durchmesser zugab, die an der axialen Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung zwischen den Einsatzmaterial-Strömen vorliegen. Hilfserdgas-Zugabe in Beispiel 5 reduzierte die Iod-Absorptionszahl in Bezug zu Beispiel 1 um etwa das doppelte im Vergleich zur Einsatzmaterial-Zugabe in Beispiel 4 und reduzierte DBPA um 15 cm³/100 g in Bezug zu Beispiel 1, während eine Zunahme von 3 cm³/100 g DBPA in Beispiel 4 in Bezug zu Beispiel 1 erfolgte, wenn zusätzliches Einsatzmaterial eingeführt wurde. Der SSI-Wert, das diesen Arbeitsbedindungen entspricht, ist -3,50, wie unter Fall B in Tabelle 4 aufgeführt ist.

Beispiele 6-9

In den Beispielen 6 bis 9 wurden 0,447 SCMS (60 KSCFH) auf 755 K (900 ºF) vorerhitzter Luft und 0,014 SCMS (1,88 KSCFH) Erdgas bei Umgebungstemperatur von etwa 298 K (77 ºF) in die erste Stufe des rußerzeugenden Verfahrens eingeführt. Die sich ergebende primäre Verbrennung wird als zu 325 % bestimmt. Beispiele 6 und 7 stellen Kontrollversuche dar, die bei zwei Gesamt-Verbrennungsniveaus ohne Hilfserdgas gemacht wurden. In Beispiel 6 wurde das rußergebende Einsatzmaterial im wesentliche transversal in den sich ergebenden Strom heißer Verbrennungsgase bei einer Geschwindigkeit von 1,43 x 10&supmin;&sup4; m³/s (136 gph) durch vier Öffnungen (32) von 0,206 cm (0,081 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase gelegen sind. Das sich ergebende Gesamt-Verbrennungsniveau war 26,1 % und die Reaktion wurde mit Wasser an einem Punkt abgeschreckt, der 7,93 Meter (26 Fuß) stromabwärts von der Einsatzmaterial- Einspritzung liegt. Es wurde ein Ruß mit einer Iod- Absorptionszahl von 77 mg/g und einem DBPA von 183 cm³/100 g erhalten. In Beispiel 7 wurde die Gesamt-Verbrennung auf 23,5 % durch Zunahme der Einsatzmaterialgeschwindigkeit auf 1,60 x 10&supmin;&sup4; m³/s (152 gph) reduziert, während alle anderen Arbeitsbedingungen konstant gehalten wurden, wodurch sich eine Verminderung der Iod-Absorptionszahl auf 55 mg/g und eine Zunahme des DBPA auf 190 cm³/100 g ergab. Die für Beispiel 8 verwendeten Arbeitsbedingungen waren denen gleich, die für Beispiel 6 verwendet wurden, mit der Abänderung, daß die Gesamt-Verbrennung in Beispiel 8 auf 22,8 durch Einführen von 0,025 SCMS (3,4 KSCFH) Hilfserdgas vermindert wurde, das im wesentlichen transversal durch vier Öffnungen (75) von 0,635 cm (0,25 inch) Durchmes-ser eingeführt wurde, die zwischen den Einsatzmaterial-Strö-men an der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung gelegen sind. Die Iod- Absorptionszahl des erhaltenen Rußes war 30 mg/g und die DBP 168 cm³/100 g. In Beispiel 9 wurden 0,039 SCMS (5,2 KSCFH) des Hilfserdgases gemäß dem gleichen wie in Beispiel 8 verwendeten Verfahren zugefügt. Der erhaltene Ruß hatte eine Iod-Absorptionszahl von 16 mg/g und eine DBPA von 148 cm³/100 g. Die in den Beispielen 6 und 7 aufgeführten Er-gebnisse wurden zur Berechnung von SASmf verwendet und die in den Beispielen 8 und 9 aufgeführten Ergebnisse, verbunden mit denen des Beispiels 6, wurden zur Berechnung von SASah-Werten verwendet, die in Tabelle 4 aufgeführt sind. Diese SAS-Werte wurden dann zur Berechnung der SSI-Werte verwendet, die unter den Fällen C und D in der Tabelle 4 aufgeführt sind. Die hierin aufgeführten SSI-Werte sind geringer als null.

Beispiele 10-13

Beispiele 10 bis 13 zeigen, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung relativ unempfindlich gegenüber dem Ort der Hilfskohlenwasserstoff-Zugabe in dem rußbildenden Verfahren ist. in diesen Beispielen wurden 0,447 SCMS (60 KSCFH) auf 755 K (900 ºF) vorerhitzter Luft und 0,011 SCMS (1,52 KSCFH) Erdgas bei Umgebungstemperatur von etwa 298 K (77 ºF) in die Verbrennungszone der Vorrichtung eingeführt. Die erhaltene primäre Verbrennung wird als zu 400 % bestimmt. Beispiel 10 stellt einen Kontrollversuch dar, bei dem rußergebendes Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in den sich ergebenden Strom heißer Verbrennungsgase bei einer Geschwindigkeit von 1,63 x 10&supmin;&sup4; m³/s (155 gph) durch vier Öffnungen (32) von 0,226 cm (0,089 inch) Durchmesser eingeführt wurde, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Das sich ergebende Gesamt-Verbrennungsniveau wird als zu 23,5 % bestimmt und die Reaktion wurde mit Wasser an einem Punkt abgeschreckt, der 7,93 Meter (26 Fuß) stromabwärts von der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung liegt. Der erhaltene Ruß hatte eine Iod-Absorptionszahl von 48 mg/g und eine DBPA von 179 cm³/100 g. Die Gesamt-Verbrennung wurde auf 25,1 % in Beispiel 11 durch Verminderung der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit auf 1,53 x 10&supmin;&sup4; m³/s (145 gph) erhöht, wodurch ein Ruß mit einer Iod-Absorptionszahl von 59 mg/g und einer DBP von 169 cm³/100 g gebildet wurde. In Beispiel 12 waren die Arbeitsbedingungen denen gleich, die in Beispiel 10 verwendet wurden, mit der Abänderung, daß die Gesamt-Verbrennung in Beispiel 8 auf 22,2 % durch Einführen von 0,011 SCMS (1,5 KSCFH) Hilfserdgas vermindert wurde, das im wesentlichen transversal durch neun Öffnungen (76) von 0,257 cm (0,101 inch) Durchmesser eingeführt- wurde, die gleichmäßig voneinander getrennt um die Peripherie der dritten Stufe des vorliegenden rußbildenden Verfahrens vorliegen und etwa 25,4 cm (10 inch) stromabwärts von der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung angeordnet sind. Unter den Bedingungen des Beispiels 12 wurde ein Ruß mit einer Iod- Absorptionszahl von 34 mg/g und einer DBPA von 165 cm³/100 g gebildet. Die Hilfserdgas-Strömungsgeschwindigkeit wurde in Beispiel 13 weiterhin auf 0,022 SCMS (3,0 KSCFH) erhöht, wobei ein Ruß mit einer Iod-Absorptionszahl von 20 mg/g und einer DBPA, die auf 139 cm³/100 g reduziert war, gebildet wurde. Die sich ergebenden SSI-Werte für diese Beispiele sind geringer als null, wie unter den Fällen E und F in der Tabelle 4 aufgeführt ist. Tabelle 3: Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrenntingsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilfserdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfskohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (m/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa = Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K+ pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 3 (Fortsetzung): Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilfserdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfskohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (m/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa = Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K+ pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 3 (Fortsetzung): Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilfserdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfskohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (m/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa = Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K+ pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 4 Struktur-Empfindlichkeits-Index Fall Einsatzmaterial-Zugabe Beispiele Hilfskohlenwasserstoff-Zugabe Struktur-Empfindlichkeits-Index (SSI)

Anmerkung:

Die in den Reihen 1 und 3 aufgeführten Zahlen, genannt "Beispiele", entsprechen den Beispielen, die zur Berechnung der SAS- Werte verwendet wurden, die jeweils in den Reihen 2 und 4 aufgeführt werden. Die SAS-Werte wurden umgekehrt zur Berechnung der SSI- Werte verwendet, die in der Reihe 5 gezeigt werden.
Beispiele 14 bis 27 zeigen, daß der SSI-Wert geringer als null ist, wenn man die vorliegende Erfindung in der Praxis unter Veränderung der Hilfskohlenwasserstoff-Einspritzverfahren durchführt und in dem man bei variierenden primären und sekundären Verbrennungen arbeitet. In diesen Beispielen wird die Iod-Absorptionszahl durch Zugabe von Hilfs-Kohlenwasserstoff, der dazu neigt die Ruß-Oberfläche zu reduzieren, etwa konstant gehalten, und in dem man gleichzeitig die Einsatzmaterial-Srömungsgeschwindigkeit reduziert, die dazu neigt die Ruß-Oberfläche zu vergrößern. In allen Fällen nimmt die Struktur, wie sie durch DBPA gemessen wird, ab, wenn Hilfskohlenwasserstoff anstelle von Einsatzmaterial zugegeben wird. Weiterhin ergibt das Entfernen von Einsatzmaterial unter Konstanthalten aller anderen Srömungsgeschwindigkeiten und der Reaktor-Konfiguration höhere Oberfläche, wie durch die Iod-Absorptionszahl gemessen wird. Deshalb werden die hierin vorher beschriebenen mathematischen Bedingungen, die einen SSI-Wert gewährleisten, der geringer als null ist, durch alle verwendeten Reaktor-Operationen erfüllt, die in den Beispielen 14-27 verwendet wurden.

Beispiele 14-17

Spezifischerweise werden in den Beispielen 14 bis 17, die in Tabelle 5 aufgeführt sind, 0,447 SCMS (60 KSCFH) auf 755 K (900 ºF) vorerhitzte Luft und 0,011 SCMS (1,52 KSCFH) Erdgas bei Umgebungstemperatur von etwa 298 K (77 ºF) in der ersten Stufe des rußbildenden Verfahrens eingeführt. In Beispiel 14 wurde das rußergebende Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in den sich ergebenden Strom heißer Verbrennungsgase bei einer Geschwindigkeit von 1,65 x 10&supmin;&sup4; m³/s (157 gph) durch sechs Öffnungen (32) von 0,127 cm (0,050 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Eine Kaliumkonzentration von 0,74 g/m³ (0,3 g/100 Gallonen) wurde in dem Einsatzmaterial durch Zugabe einer wäßrigen Kaliumacetat-Lösung aufrechterhalten. Die sich ergebende Gesamt-Verbrennung wird als als zu 23,4 % bestimmt und die Reaktion wurde mit Wasser an einem Punkt abgeschreckt, der 7,93 Meter (26 Fuß) stromabwärts der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung vorliegt. Ruß mit einer Iod- Absorptionszahl von 35 mg/g und einer DBPA von 130 cm³/100 g wurde mittels der Arbeitsbedingungen des Beispiels 14 hergestellt. Dieser Ruß wird hierin als ein Kontrollversuch verwendet, da kein Hilfskohlenwasserstoff zugefügt worden war.
In den Beispielen 15 bis 17 wurde in jeglicher Hinsicht das Verfahren des Beispiels 14 angewendet, außer daß der prozentuale C-Gehalt (Kohlenstoff) des Hilfskohlenwasserstoffs von dem Fall null des Kontrollversuchs auf aufeinanderfolgend 2,6 %, 6,0 % und 10,4 % - wobei die Iod-Absorptionszahl in etwa konstant gehalten wurde - durch Zugabe von Hilfskohlenwasserstoff und Abnahme der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit erhöht wurde. Hilfskohlenwasserstoff wurde als eine Umhüllung (75) aus Erdgas rund um die Einsatzmaterial- Spitzen herum zugegeben. Der prozentuale C-Gehalt des Hilfskohlenwasserstoffs wurde in Beispiel 15 durch Reduktion der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit auf 1,44 x 10&supmin;&sup4; m³/s (137 gph) und durch Zugabe von 0,007 SCMS (1,0 KSCFH) an Hilfskohlenwasserstoff auf 2,6 % erhöht, wodurch sich eine Erhöhung der Gesamt-Verbrennung von 23,4 % auf 25,0 % ergab. In Beispiel 16 wurde die Gesamt-Verbrennung - wobei die Oberfläche in etwa konstant gehalten wurde - durch Reduktion der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit auf 1,29 x 10&supmin;&sup4; m³/s (123 gph) und Erhöhung der Hilfserdgas -Strömungsgeschwindigkeit auf 0,016 SCMS (2,2 KSCFH) auf 26,2 % erhöht. In Beispiel 17 wurde die Gesamt-Verbrennung durch weitere Reduktion der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit auf 1,09 x 10&supmin;&sup4; m³/s (104 gph) und Erhöhung der Hilfserdgas -Strömungsgeschwindigkeit auf 0,025 SCMS (3,4 KSCFH) auf 28,2 % erhöht. Die in den Beispielen aufgeführten Ergebnisse zeigen, daß das DBPA kontinuierlich von dem Kontrollwert-Fall des Beispiels 15 von 130 cm³/100 g auf 112, 110 und 100 cm³/100 g reduziert wird, wenn der prozentuale Anteil des Hilfserdgases zunimmt. Wie vorstehend diskutiert wurde, ist es mathematisch bewiesen, daß die SSI-Werte für diese Reaktor-Operationen kleiner als null sind.

Beispiele 18-19

Beispiel 18 ist ein Kontrollversuch, bei dem rußergebendes Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in den sich ergebenden Strom heißer Verbrennungsgase bei einer Geschwindigkeit von 1,63 x 10&supmin;&sup4; m³/s (155 gph) durch vier Öffnungen (32) von 0,226 cm (0,089 inch) Durchmesser eingeführt wurde, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Die Verbrennungsbedingungen der ersten Stufe, die in Beispiel 18 verwendet wurden, waren die gleichen wie jene, die in Beispiel 14 verwendet wurden. Eine Kaliumkonzentration von 13,2 g/m³ (5,0 g/100 Gallonen) wurde in dem Einsatzmaterial durch Zugabe einer wäßrigen Kaliumacetat-Lösung aufrechterhalten. Die sich ergebende Gesamt-Verbrennung wird als zu 23,5 % bestimmt und die Reaktion wurde durch Wasser-Zugabe an einem Punkt abgeschreckt, der 7,93 Meter (26 Fuß) stromabwärts der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung vorliegt. Ein Referenz-Ruß mit einer Iod-Absorptionszahl von 49 mg/g und einer DBPA von 101 cm³/100 g wurde hergestellt. In Beispiel 19 wurde der prozentuale C-Gehalt des Hilfskohlenwasserstoffs von null des Beispiels 19 auf 4,0 % erhöht - wobei eine konstante Iod-Absorptionszahl beibehalten wurde - durch Reduktion der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit auf 1,35 x 10&supmin;&sup4; m³/s (128 gph) und Einführen von 0,011 SCMS (1,5 KSCFH) Hilfskohlenwasserstoff im wesentlichen transversal durch vier Öffnungen (75) von 0,635 cm (0,25 inch) Durchmesser, die zwischen den Einsatzmaterial-Strömen in der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung vorliegen. Erhöhen des prozentualen C-Gehalts bei konstanter Iod-Absorptionszahl erzeugte auf diese Weise einen Ruß mit einer DBPA von 78 cm³/100 g, was etwa 23 Punkte weniger ist als der Kontrollversuch des Beispiels 18. Tabelle 5: Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 5 (Fortsetzung): Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl
Die in Tabelle 6 aufgeführten Beispiele 20 bis 27 zeigen, daß primäre Verbrennungs-Niveaus von kleiner sind als jene, die in den Beispielen 1 bis 19 verwendet wurden, ebenfalls für die Arbeitsweise des vorliegenden Verfahrens unter Bedingungen geeignet sind, bei denen der SSI-Wert geringer als null ist.

Beispiele 20-25

In den Beispielen 20 bis 25 werden Ruße bei konstanten Iod- Absorptionszahlen durch Erhöhen der Hilfserdgas-Strömungsgeschwindigkeit und gleichzeitiger Verminderung der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit hergestellt, wobei bei 250 % primärer Verbrennung gearbeitet wurde. Beispiel 20 ist ein Kontrollversuch, bei dem 0,634 SCMS (85 KSCFH) auf 755 K (900 ºF) vorerhitzter Luft und 0,026 SCMS (3,5 KSCFH) Erdgas bei Umgebunmgstemperatur von etwa 298 K (77 ºF) in die erste Stufe eingeführt wurden. Die erhaltene primäre Verbrennung wird als zu 250 % bestimmt. Das Ruß ergebende Einsatzmaterial wurde im wesentlichen transversal in den sich ergebenden Strom heißer Verbrennungsgase bei einer Geschwindigkeit von 2,49 x 10&supmin;&sup4; m³/s (237 gph) durch vier Öffnungen (32) von 0,226 cm (0,081 inch) Durchmesser eingeführt wurde, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Eine Kaliumkonzentration von 26,93 g/m³ (10,2 g/100 Gallonen) wurde in dem Einsatzmaterial durch Zugabe einer wäßrigen Kaliumacetat-Lösung aufrechterhalten. Die sich ergebende Gesamt-Verbrennung wird als zu 21,1 % bestimmt und die Reaktion wurde durch Wasser-Zugabe an einem Punkt abgeschreckt, der 7,93 Meter (26 Fuß) stromabwärts der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung vorliegt. Ein Referenz-Ruß mit einer Iod-Absorptionszahl von 49 mg/g und einer DBPA von 122 cm³/100 g wurde erhalten. In Beispiel 21 wurde das Verfahren des Beispiels 20 mit der Abänderung wiederholt, daß der prozentuale C-Gehalt des Hilfskohlenwasserstoffs in Beispiel 21 durch Zugabe von 0,036 SCMS (4,8 KSCFH) Hilfserdgas auf 9,2 % erhöht wurde, und die Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit gleichzeitig auf 1,74 x 10&supmin;&sup4; m³/s (165 gph) reduziert wurde, um die Oberfläche in etwa konstant zu halten. Hilfskohlenwasserstoff wurde im wesentlichen transversal durch vier Öffnungen (75) von 0,635 cm (0,25 inch) Durchmesser zugegeben, die zwischen den Einsatzmaterial-Strömen in der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung angeordnet sind. Der sich ergebende Ruß hatte eine Struktur - wie durch DBPA gemessen wurde - von 76 cm³/100 g.
Beispiel 22 ist ein Kontrollversuch, der unter den gleichen Bedingungen wie denen des Beispiels 20 mit der Abänderung durchgeführt wurde, daß die Einsatzmaterial-Geschwindigkeit auf 2,22 x 10&supmin;&sup4; m³/s (211 gph) reduziert wurde, wobei sich eine Zunahme des ermittelten Gesamt-Verbrennungsniveaus auf 23,5 % ergab. Diese Arbeitsweise erzeugte einen Referenz-Ruß mit einer Iod-Absorptionszahl von 60 mg/g und einer DBPA von 102 cm³/100 g. In Beispiel 23 wurde die Iod-Absorptionszahl in etwa bei 60 mg/g konstant gehalten, während der prozentuale C-Gehalt des Hilfskohlenwasserstoffs durch Erhöhen der Hilfserdgas-Strömungsgeschwindigkeit auf 0,031 SCMS (4,1 KSCFH) und Reduzierung der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit auf 1,63 x 10&supmin;&sup4; m³/s (155 gph) auf 8,4 % erhöht wurde. Hilfskohlenwasserstoff wurde im wesentlichen transversal durch vier Öffnungen (75) von 0,635 cm (0,25 inch) Durchmesser zugegeben, die zwischen den Einsatzmaterial-Strömen in der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung angeordnet sind. Das sich ergebende Gesamt-Verbrennungsniveau wird als zu 27 % bestimmt. Die Struktur des so hergestellten Rußes war auf 79 cm³/100 g reduziert worden.
Der Kontrollversuch des Beispiels 24 wurde under Verwendung von etwa den gleichen Arbeitsweisen wie in Beispiel 20 durchgeführt und es wurde ein ähnlicher Ruß hergestellt, der eine Iod-Absorptionszahl von 47 mg/g und eine DBPA von 122 cm³/100 g aufwies. Die Bedingungen des Beispiels 24 wurden in Beispiel 25 mit der Abänderung verwendet, daß der prozentuale C- Gehalt des Hilfskohlenwasserstoffs durch Zugabe von 0,022 SCMS (2,9 KSCFH) Hilfserdgas auf 5,0 %, das im wesentlichen transversal durch sechs Öffnungen von 0,345 cm (0,136 inch) zugegeben wurde, die in gleichmäßigen Abständen um die Peropherie einer zentral angeordneten Sobde (72) angeordnet waren - wobei eine konstante Iod-Absorptionszahl aurechterhalten wurde - durch Reduktion der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit auf 2,03 x 10&supmin;&sup4; m³/s (193 gph) auf 5,0 % erhöht wurde. Der erhaltene Ruß hatte eine DBPA von 100 cm³/100 g. Tabelle 6: Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 6 (Fortsetzung:) Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl

Beispiele 26-27

Beispiele 26 und 27 der Tabelle 7 demonstrieren die vorliegende Erfindung bei 147 % primärer Verbrennung. In Beispiel 26 wurden 0,447 SCMS (60 KSCFH) auf 755 K (900 ºF) vorerhitzter Luft und 0,031 SCMS (4,2 KSCFH) Erdgas bei Umgebungstemperatur von etwa 298 K (77 ºF) in die erste Stufe der Verbrennungszone eingeführt. Das Ruß ergebende Einsatzmaterial wurde im wesentlichen transversal in den sich ergebenden Strom heißer Verbrennungsgase bei einer Geschwindigkeit von 1,64 x 10&supmin;&sup4; m³/s (156 gph) durch vier Öffnungen (32) von 0,185 cm (0,073 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der heißen Verbrennungsgase vorliegen. Eine Kaliumkonzentration von 43,82 g/m³ (16,6 g/100 Gallonen) wurde in dem Einsatzmaterial durch Zugabe einer wäßrigen Kaliumacetat-Lösung aufrechterhalten. Die sich ergebende Gesamt-Verbrennung wird als zu 21,1 % bestimmt und die Reaktion wurde durch Wasser-Zugabe an einem Punkt abgeschreckt, der 7,93 Meter (26 Fuß) stromabwärts der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung vorliegt. Ein Referenz-Ruß mit einer Iod-Absorptionszahl von 61 mg/g und einer DBPA von 122 cm³/100 g wurde gebildet. In Beispiel 21 wurden die Arbeitsbedingungen des Beispiels 20 mit der Abänderung wiederholt, daß der prozentuale C-Gehalt des Hilfskohlenwasserstoffs durch Zugabe von 0,036 SCMS (4,8 KSCFH) Hilfserdgas auf 14,2 % erhöht wurde, das im wesentlichen transversal durch vier Öffnungen (75) von 0,635 cm (0,25 inch) Durchmesser zugegeben, die zwischen den Einsatzmaterial-Strömen in der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung angeordnet sind, während eine konstante Iod-Absorptionszahl durch Reduktion der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit auf 9,79 x 10&supmin;&sup4; m³/s (93 gph) beibehalten wurde. Das DBPA des erhaltenen Rußes war auf 99 cm³/100 g reduziert worden. Tabelle 7: Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl
Die in der Tabelle 8 aufgeführten Beispiele 28 bis 37 zeigen die Fähigkeit des vorliegenden Verfahrens auf, ein SSI zu bilden, das geringer als null ist, unabhängig von der Einsatzmaterial-Feinstzerstäubung oder Einspritzungs-Methode. Beispiele 28 bis 32 demonstrieren das vorliegende Verfahren unter Verwendung von im wesentlichen transversaler, durch Druck feinstzerstäubender Einsatzmaterial-Einspritzung. Beispiele 33 bis 37 berücksichtigen im wesentlichen axiale, durch Druck feinstzerstäubender Einsatzmaterial-Einspritzung. Bei diesen Beispiele werden Einsatzmaterial-Einspritzung mit Hilfskohlenwasserstoff-Zugabe zur Verminderung der Iod-Absorptionszahl und des DBPA verglichen.

Beispiele 28-32

In den Beispielen 28 bis 32 werden 0,447 SCMS (60 KSCFH) Luft bei einer Temperatur von 755 K (900 ºF) und 0,011 SCMS (1,52 KSCFH) Erdgas bei Umgebungstemperatur von etwa 298 K (77 ºF) in die erste Stufe eingeführt. Die sich ergebende erste Verbrennung wird als zu 400 % bestimmt. In diesen Beispielen wurde das Ruß ergebende Einsatzmaterial im wesentlichen transversal durch vier Öffnungen (32) von 0,079 cm (0,031 inch) Durchmesser eingeführt, die jede mit Spinndüsen-Einbauten versehen sind, die die Zerstäubung durch Erteilen einer Winkelgeschwindigkeits-Komponente an das Einsatzmaterial, das in das Verfahren eintritt, erleichtern. In den Beispielen 28, 29 und 31 wurde die Einsatzmaterial- Strömungsgeschwindigkeit von 1,26 x 10&supmin;&sup4; m³/s (120 gph) auf jeweils 1,40 x 10&supmin;&sup4; m³/s (133 gph) bzw. 1,54 x 10&supmin;&sup4; m³/s (146 gph) erhöht, um das Ansprechen der Oberfläche und der Struktur auf Änderungen der Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit ohne Hilfskohlenwasserstoff-Zugabe zu demonstrieren. In den Beispielen 30 und 32 wurde Hilfserdgas durch vier Öffnungen (75) von 0,635 cm (0,25 inch) eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase der ersten Stufe angeordnet sind, bei Strömungsgeschwindigkeiten von jeweils 0,015 SCMS (2,0 KSCFH) und 0,029 SCMS (3,9 KSCFH).
Die Einsatzmaterial-Strömungsgeschwindigkeit blieb konstant 1,26 x 10&supmin;&sup4; m³/s (120 gph), welches die in Beispiel 28 verwendete Strömungsgeschwindigkeit war.
Die sich ergebenden SSI-Werte der Beispiele 28 bis 32 sind in der Tabelle 9 unter den Fällen G und H aufgeführt. Die SSI- Werte sind geringer als null, wodurch gezeigt wird, daß die vorliegende Erfindung in der Praxis angewendet werden kann, unabhängig davon, ob eine feinstzerstäubter oder ein kohärenter Einsatzmaterialstrom in die Reaktionszone eintritt.

Beispiele 33-37

Die Verfahrensweisen der Beispiele 28 bis 32 wurden in den Beispielen 33 bis 37 mit der Abänderung wiederholt, daß das Einsatzmaterial in das Verfahren in einer im wesentlichen stromabwärts ausgerichteten Richtung durch eine unter Druck zerstäubenden Öl-Spitze (70) von 0,305 cm (0,120 inch) Durchmesser eingespritzt wurde, die von dem Ende der Sonde 72, die etwa 0,25 m (10 inch) von dem axialen Mittelpunkt der zweiten Stufe des vorliegenden Verfahrens zurückversetzt war, Material ausströmen ließ. Die Öl-Spitze war eine "Monarch spray tip number F-94-120-45", die von Monarch Manufacturing (Philadelphia, PA., USA) gekauft wurde.
Die sich ergebenden SSI-Werte der Beispiele 33 bis 37 sind in der Tabelle 9 unter den Fällen I und J aufgeführt. Die SSI- Werte sind geringer als null, wodurch gezeigt wurde, daß die vorliegende Erfindung in der Praxis angewendet werden kann, unabhängig davon, ob ein axialer oder transversaler Einsatzmaterialstrom in die Reaktionszone eintritt. Es wird angenommen, daß jedes andere handelsübliche Verfahren zur Einsatzmaterial-Einspritzung und Feinstzerstäubung zur Anwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung ebenfalls geeignet ist und deshalb das Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht auf irgendein Verfahren zur Einführung von Einsatzmaterial in das rußbildende Verfahren begrenzt ist. Tabelle 8: Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 8 (Fortsetzung): Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 8 (Fortsetzung): Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 9 Struktur-Empfindlichkeits-Index Fall Einsatzmaterial-Zugabe Beispiele Hilfskohlenwasserstoff-Zugabe Struktur-Empfindlichkeits-Index (SSI)

Anmerkung:

Die in den Reihen 1 und 3 aufgeführten, gennant "Beispiele", entsprechen den Beispielen, die zur Berechnung der SAS- Werte verwendet wurde, die jeweils in den Reihen 2 und 4 aufgeführt werden. Die SAS-Werte wurden umgekehrt zur Berechnung der SSI- Werte verwendet, die in der Reihe 5 gezeigt werden.

Beispiele 38-40

Die Beispiele 38 bis 40 der Tabelle 11 demonstrieren das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei der Verwendung eines leichten, flüssigen Kohlenwasserstoffs als dem Hilfskohlenwasserstoff. Der flüssige Kohlenwasserstoff war ein im Handel erhältliches Dieselöl, bezeichnet als "Diesel type D-2", das die nachstehend in der Tabelle 10 aufgeführten typischen Eigenschaften aufweist. Tabelle 10: Eigenschaften des flüssigen Hilfskohlenwasserstoffs (Typ D-2 Dieselöl) H/C-Verhältnis Wasserstoff (Gew.-%) Kohlenstoff (Gew.-%) Schwefel (Gew.-%) Stickstoff (Gew.-%) API-Dichte Spezifische Dichte Viskosität
In diesen Beispielen wurden 0,634 SCMS (85 KSCFH) auf 755 K (900 ºF) vorerhitzter Luft und 0,016 SCMS (2,16 KSCFH) Erdgas bei Umgebungstemperatur von etwa 298 K (77 ºF) in die erste Verbrennungszone eingeführt. Die sich ergebende erste Verbrennung wird als zu 400 % bestimmt. Beispiel 38 stellt einen Kontrollversuch dar, bei dem das Ruß ergebende Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in Zone 12 bei einer Geschwindigkeit von 1,9 x 10&supmin;&sup4; m³/s (181 gph) durch vier (4) Öffnungen (32) von 0,206 cm (0,081 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Die sich ergebende Gesamt-Verbrennung wird als zu 28,2 % bestimmt und die Reaktion wurde durch Wasser-Zugabe an einem Punkt abgeschreckt, der 7,93 Meter (26 Fuß) stromabwärts der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung vorliegt. Der sich ergebende Ruß hatte eine Iod-Absorptionszahl von 70 mg/g und eine DBPA von 150 cm³/100 g. In Beispiel 39 waren die Arbeitsbedingungen mit denen des Beispiels 38 identisch, außer, daß die Gesamt-Verbrennung in Beispiel 39 auf 23,6 % durch Vermischen des Dieselöls bei einer Geschwindigkeit von 4,53 x 10&supmin;&sup5; m³/s (43 gph) mit dem Einsatzmaterialstrom vor der Einführung der kombinierten Einsatzmaterial- und Dieselölströme in das rußbildende Verfahren reduziert wurde. Die Mischung aus dem Ruß ergebenden Einsatzmaterial und Dieselöl wurde im wesentlichen transversal in den Strom heißer Verbrennungsgase durch vier (4) Öffnungen (32) von 0,226 cm (0,089 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Der so hergestellte Ruß hatte eine Iod-Absorptionszahl von 31 mg/g und eine DBPA von 141 cm³/100 g. In Beispiel 40 waren die Arbeitsbedingungen mit denen des Beispiels 38 identisch, außer, daß die Gesamt-Verbrennung in Beispiel 40 auf 24,5 % durch Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Ruß ergebenden Einsatzmaterials auf 2,21 x 10&supmin;&sup4; m³/s (210 gph) reduziert wurde. Im Beispiel 40 wurde das Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in den Strom heißer Verbrennungsgase durch vier (4) Öffnungen (32) von 0,226 cm (0,089 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Der so hergestellte Ruß hatte eine Iod-Absorptionszahl von 45 mg/g und eine DBPA von 147 cm³/100 g. Der sich ergebende SSI-Wert, berechnet aus den SAS-Werten der Beispiele 38 bis 40, ist geringer als null, wie unter Fall K in der Tabelle 12 aufgeführt ist. Tabelle 11: Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 12 Struktur-Empfindlichkeits-Index Fall Einsatzmaterial-Zugabe Beispiele Hilfskohlenwasserstoff-Zugabe Struktur-Empfindlichkeits-Index (SSI)

Anmerkung:

Beispiele 41-45

In den Beispielen 41 bis 45 der Tabelle 13 wird die vorliegende Erfindung demonstriert, worin Oberfläche und Struktur abnahmen wenn Hilfskohlenwasserstoff zugegeben wird, bei ansonsten konstanten Verfahrens-Strömungsgeschwindigkeiten. In diesen Beispielen wurden 0,101 SCMS (13,5 KSCFH) auf 755 K (900 ºF) vorerhitzter Luft und 0,003 SCMS (0,348 KSCFH) Erdgas bei Umgebungstemperatur von etwa 298 K (77 ºF) in die Verbrennungszone eingeführt. Die sich ergebende erste Verbrennung wird als zu 400 % bestimmt. Die Reaktion wurde durch Wasser-Zugabe an einem Punkt abgeschreckt, der 4,9 Meter (16 Fuß) stromabwärts der Ebene der Einsatzmaterial-Einspritzung vorliegt.
Beispiel 41 stellt einen Kontrollversuch dar, bei dem das Ruß ergebende Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in die Zone 12 bei einer Geschwindigkeit von 2,65 x 10&supmin;&sup5; m³/s (25,1 gph) durch drei (3) Öffnungen (32) von 0,102 cm (0,040 inch) Durchmesser eingeführt wurde, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Die sich ergebende Gesamt-Verbrennung wird als zu 32,0 % bestimmt. Der erhaltene Ruß hatte eine Iod-Absorptionszahl von 92 mg/g und eine DBPA von 142 cm³/100 g.
In Beispiel 42 waren die Arbeitsbedingungen mit denen des Beispiels 41 identisch, außer, daß die Gesamt-Verbrennung in Beispiel 42 auf 35,0 % durch Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit des Einsatzmaterials auf 2,407 x 10&supmin;&sup4; m³/s (22,8 gph) erhöht wurde. Das Ruß ergebende Einsatzmaterial wurde im wesentlichen transversal in den Strom heißer Verbrennungsgase durch drei (3) Öffnungen (32) von 0,091 cm (0,036 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase der ersten Stufe vorliegen. Der so hergestellte Ruß hatte eine Iod-Absorptionszahl von 117 mg/g und eine DBPA von 153 cm³/100 g.
In Beispiel 43 waren die Arbeitsbedingungen denen der in Beispiel 41 verwendeten identisch, außer daß die Gesamt-Verbrennung in Beispiel 43 auf 29,4 % durch Zugabe von Hilfskohlenwasserstoff als eine Umhüllung (75) aus Erdgas rund um die Einsatzmaterial-Spitzen reduziert wurde. Der prozentuale C-Gehalt des Hilfskohlenwasserstoffs wurde in Beispiel 43 auf 5,1 % durch Zugabe von 0,003 SCMS (0,37 KSCFH) Ergas erhöht. In Beispiel 43 wurde das Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in den Strom heißer Verbrennungsgase durch drei (3) Öffnungen (32) von 0,102 cm (0,040 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Der erhaltene Ruß hatte eine Iod- Absorptionszahl von 60 mg/g und eine DBPA von 121 cm³/100 g. Der sich ergebende SSI-Wert, berechnet aus den SAS-Werten der Beispiele 41 bis 43, ist geringer als null, wie unter Fall L in der Tabelle 12 aufgeführt ist.
In Beispiel 44 waren die Arbeitsbedingungen denen der in Beispiel 41 verwendeten identisch, außer daß die Gesamt-Verbrennung in Beispiel 43 auf 28,7 % durch Zugabe von Hilfskohlenwasserstoff als eine Umhüllung (75) aus gasförmigem Propan rund um die Einsatzmaterial-Spitzen reduziert wurde. Der prozentuale Gehalt an C des Hilfskohlenwasserstoffs wurde in Beispiel 44 auf 8,0 % durch Zugabe von 0,001 SCMS (0,20 KSCFH) gasförmiges Propan erhöht. In Beispiel 44 wurde das Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in den Strom heißer Verbrennungsgase durch drei (3) Öffnungen (32) von 0,102 cm (0,040 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Der so hergestellte Ruß hatte eine Iod-Absorptionszahl von 49 mg/g und eine DBPA von 114 cm³/100 g. Der sich ergebende SSI- Wert, berechnet aus den SAS-Werten der Beispiele 41, 42 und 44, ist geringer als null, wie unter Fall M in der Tabelle 14 aufgeführt ist.
In Beispiel 45 waren die Arbeitsbedingungen denen der in Beispiel 41 verwendeten identisch, außer daß die Gesamt-Verbrennung in Beispiel 45 auf 30,5 % durch Zugabe von Hilfskohlenwasserstoff als eine Umhüllung (75) aus Wasserstoff rund um die Einsatzmaterial-Spitzen herum reduziert wurde. Der prozentuale Gehalt an H des Hilfskohlenwasserstoffs wurde in Beispiel 45 auf 2,1 % durch Zugabe von 0,006 SCMS (0,875 KSCFH) Wasserstoffgas erhöht. In Beispiel 45 wurde das Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in den Strom heißer Verbrennungsgase durch drei (3) Öffnungen (32) von 0,102 cm (0,040 inch) Durchmesser eingeführt, die an der äußeren Peripherie des Stroms der Verbrennungsgase vorliegen. Der so hergestellte Ruß hatte eine Iod-Absorptionszahl von 77 mg/g und eine DBPA von 134 cm³/100 g. Der sich ergebende SSI-Wert, berechnet aus den SAS-Werten der Beispiele 41, 42 und 45, ist geringer als null, wie unter Fall N in der Tabelle 14 aufgeführt ist. Tabelle 13: Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 13 (Fortsetzung): Arbeitsbedingungen und analytische Eigenschaften von Rußen Beispiel-Nr. Reaktor-Eintrittsbereich Verbrennungsluft, SCMS Vorerhitzte Verbrennungsluft, K Erdgas-Brenner, SCMS Luft/Verbrennungsgas-Verhältnis Einsatzmaterial-Injektionspunkt, Spitzen-Anzahl x Größe in cm Einsatzmaterial-Rate, m³/s Einsatzmaterial-Druck, kPa Einsatzmaterial-Vorerhitzung, K Hilfsgas-Injektionspunkt, Anzahl der Öffnungen x Größe in cm Hilferdgas, SCMS Quenchdruck, kPa Quench-Temperatur, K Primäre Verbrennung, % Gesamt-Verbrennung, % % C des Hilfs-Kohlenwasserstoffs I&sub2;-Zahl (mg/g) m = Meter, cm = Zentimeter, kPa Kilo-Pascal, K = Kelvin, K&spplus; = Kalium, n.a. = nicht anwendbar, SCMS = Standard-Kubikmeter/Sekunde (273 K, 101,3 kPa), gK&spplus;/m³ Öl = Gramm K&spplus; pro m³ Einsatzmaterial-Öl Tabelle 14 Struktur-Empfindlichkeits-Index Fall Einsatzmaterial-Zugabe Beispiele Hilfskohlenwasserstoff-Zugabe Struktur-Empfindlichkeits-Index (SSI)

Anmerkung:

Die in den Reihen 1 und 3 aufgeführten, gennant "Beispiele", entsprechen den Beispielen, die zur Berechnung der SAS- Werte verwendet wurde, die jeweils in den Reihen 2 und 4 aufgeführt werden. Die SAS-Werte wurden umgekehrt zur Berechnung der SSI- Werte verwendet, die in der Reihe 5 gezeigt werden.
Die vorhergehenden Beispiele zeigen, daß unter wohldefinierten Bedingungen der primären Verbrennung und der Gesamt-Verbrennung, wenn die Zugabe von Hilfskohlenwasserstoff zum vorliegenden mehrstufigen rußbildenden Verfahren auf derarige Weise erfolgt, daß im wesentlichen nicht-umgesetzter Hilfskohlenwasserstoff in die Reaktionszone eintritt, Ruße mit geringerer Oberfläche bei einem gegebenen Gesamt-Verbrennungsniveau gebildetet werden, als solche, die durch das gebräuchliche Verfahren durch Zugabe von Einsatzmaterial gebildet werden, unabhängig von dem verwendeten Verfahren der Zugabe des Einsatzmaterials oder Hilfskohlenwasserstoffs. Weiterhin demonstrieren diese Beispiele auch, daß die vorliegende Erfindung die Herstellung von Rußen mit geringerer als normaler Struktur bei einer gegebenen Oberfläche erlaubt. Ein Hilfskohlenwasserstoff-Zugabeverfahren, das wie hierin definiert durchgeführt wird, ergibt einen SSI-Wert, der geringer als null ist.
Während die vorliegende Erfindung in Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, und es sollte verstanden werden, daß Veränderungen und Modifikationen derselben gemacht werden können, die dem Fachmann ersichtich sind, ohne vom Umfang oder Bereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. In einem mehrstufigen Verfahren zur Herstellung von Ofenrußen, die eine geringere als normal übliche Struktur bei einer gegebenen Oberfläche und eine geringere als normal übliche Oberfläche bei einem gegebenen Gesamtzersetzungsgrad aufweisen, worin in einer ersten Stufe ein Strom heißer Gase erzeugt wird, der genügend Energie besitzt, um ein rußbildendes kohlenwasserstoffartiges Beschickungsmaterial in Ruß umzuwandeln, dessen Strom in eine zweite Stufe getrieben wird, worin Beschickungsmaterial in diesen gasförmigen Strom eingespritzt wird und wobei in einer nachfolgenden Stufe das Einsatzsmaterial in Ruß vor der Beendigung der Kohlenstoffbildungsreaktionen durch Quenchen, und dann Abkühlen, Abtrennen und Gewinnung des erhaltenen Rußes umgewandelt wird, umfaßt die Verbesserung die Einführung von im wesentlichen nichtumgesetztem Hilfskohlenwasserstoff in eine Reaktionszone, worin das Einsatzsmaterial zu diesem Zeitpunkt den Kohlenstoff bildenden Reaktionen unterliegt, um die Kohlenstoffteilchen zu bilden, deren Reaktionszone im Bereich von etwa dem Punkt der Einsatzmaterial-Einspritzung bis etwa dem Punkt des Quenchens liegt, und Anpassung des primären Zersetzungsgrades und des Gesamtzersetzungsgrades derartig, daß der Struktur-Empfindlichkeits- Index (SSI) geringer als null ist, wobei SSI durch die Formel:

definiert ist, worin

SASmf = Δ(DBP)mf/Δ(Iodzahl)mf; SASan =ah = Δ(DBP)ah/Δ(Iodzahl)ah; SASmf = absoluter Wert von SASmf ist;

Δ (DBP)mf = die Änderung des Rußes DBPA aufgrund einer Änderung in der Einsatzmaterial-Fließgeschwindigkeit ist, während alle anderen Verfahrensdurchführungsbedingungen konstant gehalten werden;

Δ(Iodzahl)mf = die Änderung der Ruß-Iodzahl aufgrund einer Änderung in der Einsatzmaterial-Fließgeschwindigkeit ist, während alle anderen Verfahrensdurchführungsbedingungen konstant gehalten werden;

Δ(DBP)ah = die Änderung des Rußes DBPA aufgrund einer Änderung in der Hilfskohlenwasserstoff-Fließgeschwindigkeit ist, während alle anderen Verfahrensdurchführungsbedingungen konstant gehalten werden;

Δ(Iodzahl)ah = die Änderung der Ruß-Iodzahl aufgrund einer Änderung in der Hilfskohlenwasserstoff-Fließgeschwindigkeit ist, während alle anderen Verfahrensdurchführungsbedingungen konstant gehalten werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Strom heißer Gase, der in der ersten Stufe gebildet wird, das Zersetzungsprodukt eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Strom heißer Gase, der in der ersten Stufe gebildet wird, ein Oxidationsmittel ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff gasförmig vorliegt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff in flüssiger Form vorliegt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der primäre Zersetzungsgrad zwischen 140 und 1000 % beträgt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Einsatzmaterial im wesentlichen axial in die Zersetzungsgase eingespritzt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das Einsatzmaterial im wesentlichen transversal in die Zersetzungsgase eingespritzt wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff im wesentlichen transversal in die Reaktionszone eingespritzt wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff im wesentlichen axial in die Reaktionszone eingespritzt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff in einer Richtung eingeführt wird, die im wesentlichen tangential zu dem Fluß der heißen Zersetzunggase liegt.

12. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff in einen Bereich eingespritzt wird, der sich axial von etwa 0,5 Reaktor-Durchmesserlängen vor dem Punkt der Einsatzmaterial-Einspritzung bis zu einem Punkt von etwa 0,5 Reaktor-Durchmesserlängen nach dem Punkt der Einsatzmaterial-Einspritzung hin erstreckt.

13. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff kohlenwasserstoffartig ist und in einer derartigen Menge zugeführt wird, daß der Kohlenstoffgehalt des Hilfskohlenwasserstoffs geringer als etwa 60 Gew.-% des gesamten Kohlenstoffgehalts der Reaktionsmittel ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff kohlenwasserstoffartig ist und in einer derartigen Menge zugeführt wird, daß der Kohlenstoffgehalt des Hilfskohlenwasserstoffs geringer als etwa 30 Gew.-% des gesamten Kohlenstoffgehalts der Reaktionsmittel ist und der Hilfskohlenwasserstoff gasförmig vorliegt.

15. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff kohlenwasserstoffartig ist und in einer derartigen Menge zugeführt wird, daß der Kohlenstoffgehalt des Hilfskohlenwasserstoffs geringer als etwa 15 Gew.-% des gesamten Kohlenstoffgehalts der Reaktionsmittel ist und der Hilfskohlenwasserstoff gasförmig vorliegt.

16. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff Wasserstoff ist und in einer derartigen Menge zugeführt wird, daß der Wasserstoffgehalt des Hilfskohlenwasserstoffs geringer als etwa 60 Gew.-% des gesamten Wasserstoffgehalts der Reaktionsmittel ist.

17. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff Wasserstoff ist und in einer derartigen Menge zugeführt wird, daß der Wasserstoffgehalt des Hilfskohlenwasserstoffs geringer als etwa 30 Gew.-% des gesamten Wasserstoffgehalts der Reaktionsmittel ist.

18. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin der Hilfskohlenwasserstoff Wasserstoff ist und in einer derartigen Menge zugeführt wird, daß der Wasserstoffgehalt des Hilfskohlenwasserstoffs geringer als etwa 15 Gew.-% des gesamten Wasserstoffgehalts der Reaktionsmittel ist.