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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ruß durch thermische
Zersetzung von Kohlenwasserstoffen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die
Herstellung von Ofenruß durch Zersetzung von Kohlenwasserstoffen und insbesondere
auf ein Ofenrußverfahren, bei dem der Kohlenwasserstoff durch schnelles Vermischen
mit einem lebhaft turbulenten Strom heißer Flammengase zersetzt wird und im Gemisch
mit diesem durch eine langgestreckte, wärmeisolierte Reaktionskammer geleitet wird.
Ein Verfahren dieser Art ist z. B. in der USA.-Patentschrift a 378 o55 beschrieben.
Die Erfindung betrifft Verbesserungen der dort beschriebenen Vorrichtung und Verfahren.
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Gemäß dem Verfahren der eben angegebenen Patentschrift wird der zu
zersetzende Kohlenwasserstoff, im folgenden als »Kohlenwasserstoffausgangsmaterial«
bezeichnet, getrennt in den heftig turbulenten Strom heißer Flammengase, die mit
hoher Geschwindigkeit durch eine langgestreckte, wärmeisolierte Kammer strömen,
eingespritzt, so daß das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial schnell mit den heißen
Flammengasen vermischt und schnell und gleichmäßig auf seine Zersetzungstemperatur
erhitzt und durch die aus den heißen Gasen absorbierte Wärme unter Bildung einer
Bußsuspension zersetzt wird. Das anfallende gasförmige Gemisch wird im Zustande
heftiger Turbulenz durch die Reaktionskammer weitergeleitet, und das gasförmige
Gemisch mit dem darin suspendierten Ruß wird vom stromabwärts gelegenen Ende der
Kammer abgeleitet und der Ruß abgetrennt und gesammelt.
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Bei Verfahren der beschriebenen Art wird der Charakter des anfallenden
Rußes wesentlich von der Schnelligkeit und der Gleichförmigkeit des Vermischens
des
Kohlenwasserstoffausgangsmaterials mit den heißen Flammengasen beeinflußt: Bemerkenswerterweise
werden die Teilchengröße und die Eigenschaften von Gemischen des anfallenden Rußes
mit Kautschuk hierdurch wesentlich beeinflußt. Im allgemeinen sind die Rußteilchen
um so kleiner, je schneller und gründlicher das Vermischen erfolgte, und es sind
verschiedene Mittel vorgeschlagen worden, dies Vermischen zu beschleunigen.
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Bei dem in der genannten Patentschrift besonders geschilderten Verfahren
wird das brennbare Gemisch zur Erzeugung des turbulenten Stromes der Flammengase
in das eine Ende der Reaktionskammer im wesentlichen parallel zur Längsachse der
Kammer eingespritzt und das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial radial in die Reaktionskamrner
an einer Stelle stromabwärts an der Einspritzstelle des brennbaren Gemisches eingespritzt.
Durch diese Arbeitsweise wird ein schnelles und gleichförmiges Vermischen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
mit den heißen Flammengasen erleichtert, wobei das Vermischen so schnell erfolgt,
daß es mit Recht als ein sofortiges bezeichnet werden kann.
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Jedoch- ist die Geschwindigkeit der thermischen Zersetzung des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
bei Berührung mit den heißen Flammengasen ebenfalls sehr schnell und wächst gewöhnlich
mit steigender Temperatur der heißen Gase und der Größe der Moleküle an, aus denen
das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial zusammengesetzt ist.
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Die Zeitfaktoren, die bei der Einleitung der thermischen Zersetzung
-des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials sowie auch bei seinem Vermischen mit den
heißen Gasen auftreten, scheinen im Bereich von Mikrosekunden zu liegen. Trotzdem
scheinen sie von großer Bedeutung für die Bestimmung des Charakters des anfallenden
Rußes zu sein, und unter den eben angegebenen Bedingungen, die die Pyrolyse beschleunigen,
sind spezielle Probleme dargeboten bei der Durchführung eines hinreichend schnellen
und gleichmäßigen Vermischens.
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Höchste Feinheit der Verteilung des anfallenden Rußes wird begünstigt,
wenn das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial--gründlichst in dem heißen Gasstrom dispergiert
wird, bevor die Pyrolyse des erstgenannten begonnen hat oder über die Anfangsstufe
hinaus fortgeschritten ist., Wie festgestellt wurde, werden,. wenn . höhermöekulare
Kohlenwasserstoffe, z. B. normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffe,als Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
verwendet werden oder als Teil davon oder wenn außergewöhnlich hohe Flammentemperaturen
zur Anwendung- gelangen, besondere Probleme bei der Bewirkung der gleichmäßigen
Vermischung oder Dispergierung, so schnell wie' erwünscht, dargeboten. Auch traten,
wenn die Querschnittsfläche der Reaktionskammer beim Versuch, die Leistung der Vorrichtung
zu erhöhen, vergrößert wurde, Schwierigkeiten bei der Erzielung , eines hinreichend
schnellen und gleichmäßigen Disperggierens des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
in den heißen Flammengasen auf. Die vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes
Verfahren und Mittel zur schnelleren und gleichmäßigeren Vermischung des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
mit den Flammengasen vor, wobei Ströme des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials in
die gesondert erzeugten, hochturbulenten Ströme von Flammen= gasen hingespritzt
werden und die resultierenden Ströme von vermischten Flammengasen und Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
sofort darauf einem heftigen Zerschlagen mit ähnlichen Strömen des heißen Gemisches
unterworfen werden, wodurch die Turbulenz der heißen Gase stark erhöht und das gründliche
und gleichmäßige Vermischen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials damit wesentlich
beschleunigt und gefördert wird.
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Im allgemeinen umfaßt das verbesserte Verfahren der vorliegenden Erfindung
die Erzeugung einer Mehrzahl heißer Flammengasströme in gesonderten, langgestreckten
Verbrennungskammern mit verhältnismäßig kleiner Querschnittsfläche, d. h. relativ
klein zur Qüerschnittsfläche der Reaktionskammer. Man leitet die entsprechenden
Ströme mit hoher Geschwindigkeit in eine Mischkammer oder -zone, die am einen Ende
einer langgestreckten, wärmeisolierten Reaktionskammer von im wesentlichen zylindrischem
Querschnitt liegt, in einer Richtung im wesentlichen im rechten Winkel zur Längsachse
der Kammer und im allgemeinen tangential hierzu ein, so daß sie einenWirbelkörper
von Gasen bilden, die durch die Kammer geleitet werden. Man spritzt gesondert Ströme
des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials in die einzelnen Ströme der Flammengase ein,
wenn sie aus den entsprechenden Verbrennungskammern in die Mischkammer oder -zone
strömen, wobei das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in einer Richtung im wesentlichen
im rechten Winkel zur Längsachse der entsprechenden Verbrennungskammer eingespritzt
wird. Unmittelbar darauf läßt man die entsprechenden Ströme des resultierenden Gemisches
heftig auf andere, ,gleiche Ströme des heißen Gasgemisches -beim Eintreten in die
Mischkammer aufschlagen. Das resultierende, heftig turbulierende Gemisch wird dann
als schnell wirbelnder Gasstrom durch die Reaktionskammer fortgeleitet, wobei das
Kohlenwasserstoffausgangsmaterial zu Ruß in Suspension zersetzt wird, der aus den
abströmenden Gasen abgetrennt wird.
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In einer besonders wünschenswerten Art der Erfindung werden vier getrennte
Verbrennungskammern verwendet, die symmetrisch um das stromaufwärts gelegene Ende
der länggestreckten Reaktionskammer . angeordnet sind, so daß ihre Längsachsen im
wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Reaktionskammer- stehen und daß die Längsachse
jeder Verbrennungskammer im wesentlichen senkrecht zur Längsachse jeder benachbarten
Verbrennungskammer liegt. Ferner ist die Querschnittsdimension der entsprechenden
Verbrennungskammern, wie oben angegeben, beträchtlich kleiner als der Durchmesser
der Reaktionskammer,
im allgemeinen nicht über die Hälfte des Durchmessers
der Reaktionskammer und vorteilhaft etwas weniger. Die Verbrennungskammern sind
mit Vorteil von kreisförmigem Querschnitt, oder, falls gewünscht, können sie elliptisch,
rechtwinklig od. dgl. sein. Es ist wünschenswert, daß die Außenkante der entsprechenden
Verbrennungskammern im wesentlichen tangential zum Umfang der Reaktionskammer verläuft,
so daß die entsprechenden eintretenden Ströme des heißen Gasgemisches dazu neigen,
in der gleichen Richtung um die Längsachse der Reaktionskammer zu wirbeln.
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Die Erfindung sei weiter unter Bezugnahme auf die Zeichnung einer
besonders für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung beschrieben
und erläutert.
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Fig. i ist, in üblicher Weise zum Teil unterbrochen, eine Längsansicht,
zum Teil geschnitten, der wesentlichen zusammenarbeitenden Elemente der Vorrichtung,
die die Reaktionskammer, die Verbrennungskammern und Mittel zum Einspritzen des
Kohlenwasserstoffausgangsmaterials umfaßt; Fig. 2 stellt einen etwas vergrößerten
* Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. i dar.
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In der Zeichnung ist eine langgestreckte, zylindrische Reaktionskammer
mit i bezeichnet, die aus einer feuerfesten Wand :2 hergestellt ist, bedeckt durch
Wärmeisoliermaterial 3 und einen alles einhüllenden Metallmantel 4. An seinem linken
Ende erstreckt sich die Reaktionskammer in eine quadratische Mischkammer 5 mit einer
Höhe und einer Weite gleich dem Durchmesser der zylindrischen Kammer.
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Wie näher in Fig. 2 gezeigt ist, führen vier getrennte, zylindrische
Verbrennungskammern oder Rohre 6 in die Mischkammern und sind so angeordnet, daß
die Längsachse jeder Kammer senkrecht zur Längsachse der Reaktionskammer und zur
Längsachse jeder benachbarten Verbrennungskammer verläuft. Jede Kammer ist aus einer
Wand 7 aus feuerfestem Material erstellt, das den hohen Temperaturen der Flammengase
widerstehen kann. An ihren Außenenden sind die entsprechenden Verbrennungskammern
mit Gebläsebrennern 8 ausgerüstet, zu denen ein brennbares Gemisch aus Brenngas
und Luft, z. B. durch die Leitung 9, zugeführt wird.
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Am Eintritt jeder Verbrennungskammer in die Mischkammer ist ein Einspritzrohr
io für das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial vorgesehen, das in die Öffnung i i
hineinragt, die durch die Wand 12 der Mischkammer reicht. Dieses Rohr io ist in
der Öffnung i i einstellbar angeordnet, und die Außenenden der entsprechenden Öffnungen
sind durch Asbestpackungen 13 und Packungsmuffen 14 verschlossen.
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Zwischen ihren Enden ist die Reaktionskammer mit einer oder mehreren
Öffnungen 15 versehen, die zur Beobachtung der Bedingungen in der Kammer und zur
Bestimmung der Temperaturen an ihren verschiedenen Zonen dienen.
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Die speziellen gezeichneten Gebläsebrenner sind von der bekannten
Maxon-Bauart, die eine 3,2 cm fest eingebaute Maxon-Düse erhalten, die zum Verbrennen
von vorher gemischtem Gas und Luft dient. Andere Arten von Gebläsebrennern, die
imstande sind, hochturbulente Ströme von Flammengasen zu erzeugen, können an Stelle
der gezeigten Type verwendet werden. Auch ist in der' speziell in der Zeichnung
erläuterten Vorrichtung die Mischkammer, wie oben angegeben, von rechteckigem Querschnitt.
Dies ist vorteilhaft vom Standpunkt der Einfachheit der Bauweise der Vorrichtung.
Es sei verstanden, daß die Mischkammer auch eine zylindrische Verlängerung der Reaktionskammer
sein kann, vorzugsweise von gleichem Durchmesser.
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Beim Betrieb wird ein brennbares Gemisch, z. B. aus Brennstoffgas
und Luft, den entsprechenden Brennern durch die Zuleitungen 9 zugeführt und in die
Verbrennungskammern eingeblasen und hier unter Bildung von gesonderten, hochturbulenten
Flammengasströmen verbrannt. Die resultierenden Flammengasströme strömen mit hoher
Geschwindigkeit durch die Verbrennungskammern in die Mischzone 5. Das zu zersetzende
Kohlenwasserstoffausgangsmaterial wird gesondert kräftig in die entsprechenden Ströme
der heißen Flammengase eingespritzt, während diese in die Mischzone gelangen, und
wird mit ihnen gemischt.
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Das Vermischen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials mit den entsprechenden
Strömen der Flammengase wird beschleunigt, indem man den Strom des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
in den Strom der heißen Gase in im wesentlichen rechten Winkel zur Strömungsrichtung
des letztgenannten richtet. Das resultierende Gemisch der Flammengase und des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
wird dann fast sofort auf einen ähnlichen Strom von heißen Gasen ausschlagen gelassen,
der in die Mischzone aus benachbarten Verbrennungskammern gelangt. Man erzeugt somit
einen Zustand höchster Turbulenz und heftigster cyclonischer Bedingungen innerhalb
der Mischzone, welcher weiter das gleichförmige Vermischen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
mit den resultierenden, heftig turbulenten Flammengasen begünstigt und beschleunigt.
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Der resultierende, wirbelnde Strom heißer Gase setzt sich durch die
Reaktionskammer fort, und das hierin dispergierte Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
wird durch die Wärme, die es aus den heißen Gasen absorbiert, unter Bildung einer
Bußsuspension zersetzt. Die abströmenden Gase gelangen vom stromabwärts gelegenen
Ende der Kammer zu einer üblichen Abscheideeinrichtung, und der Ruß wird aus dieser
gewonnen.
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Die Ausmaße und die relativen Verhältnisse der Vorrichtung können
im beträchtlichen Umfange verändert werden. In einer Vorrichtung, die mit Vorteil
verwendet wurde, war die Reaktionskammer etwa 4,5 m lang und hatte einen inneren
Durchmesser von etwa 17,8 cm. Sie war an ihrem oberen Ende mit vier Verbrennungskammern,
im wesentlichen wie gezeigt, ausgerüstet, von denen jede einen inneren Durchmesser
von etwa 7,6 cm hatte und etwa 15,2 cm lang war. Jedes der vier
Kohlenwasserstoffeinspritzrohre
hatte o,6 cm Innendurchmesser und. erstreckte sich koaxial durch eine Öffnung, die
durch ein feuerfestes Rohr von 2,5 cm Innendurchmesser und aq. cm Länge gebildet
wurde.
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Leicht verfügbare Standard-Düsenblocks im Bereich von 17,8 bis 22a9
cm Innendurchmesser können mit Vorteil als Verbrennungskammern beim Bau von Rußöfen
nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Der optimale Durchmesser der Kammer
hängt natürlich von der Anzahl und Größe der Düsenblocks oder Verbrennungskammern,
die verwendet werden, ab. Es ist jedoch wünschenswert, daß der Querschnitt der Reaktionskammer
angepaßt ist, um das zusammengesetzte Gemisch aus heißen Flammengasen und Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
ohne Rückdruck fortzutragen.
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Durch getrennteErzeugung der heißenFlammengasströme in relativ kleinen
Verbrennungskammern und gesondertes Einspritzen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
in die entsprechenden Ströme gemäß der vorliegenden Erfindung werden die früheren
Begrenzungen der Querschnittsfläche der Reaktionskammer weitgehend vermieden. Ferner
schafft diese Erfindung ein Verfahren und Mittel, wodurch ein schnelleres, gründlicheres
Vermischen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials mit den heißen Flammengasen erreicht
werden kann unter Erzeugung von Ofenruß mit außergewöhnlich kleiner Teilchengröße
oder insbesondere in großen Vorrichtungen von technischem Ausmaß ein schnelles und
gleichförmiges Vermischen, das zur Bildung von 'Ofenruß üblicher Teilchengröße führt,
leichter erreicht wird.