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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ofenruß Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Ofenruß,
insbesondere durch Spalten von Kohlenwasserstoffen im Kontakt mit heißen Verbrennungsgasen.
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Die meisten der im Handel befindlichen Rußsorten werden zur Zeit nur
nach sehr wenigen Verfahren hergestellt und können in Klassen eingeteilt werden,
die von den Gummizusammensetzungen und dem vulkanisierten Gummi abhängen, bei denen
die verschiedenen Rußsorten Verwendung finden. Weicher Ruß ergibt bei Beimischung
zu einer üblichen Kautschukmischung und Vulkanisation einen Gummi, der weicher,
elastischer und dennoch zäh ist, während im Gegensatz dazu harter Ruß in der gleichen
Zusammensetzeng dem vulkanisierten Gummi steifere, zähere Eigenschaften mit geringerer
Elastizität verleiht.
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Diese zwei Rußarten können im wesentlichen als »Grenzfälle« angesehen
werden, und viele der hergestellten Rußsorten besitzen Härteeigenschaften, die zwischen
diesen Grenzen liegen.
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Das wirtschaftliche »Kanala-Verfahren erzeugt harten Ruß, der besonders
für Kraftfahrzeug-Reifenlaufflächen geeignet ist, die abnutzungsfest sind und gute
physikalische Prüfeigenschaften aufweisen. Die Ausbeute an Kohlenstoff bei diesem
Verfahren beträgt jedoch nur ungefähr 3,5 °/o des Kohlenstoffgehaltes des Gases,
aus dem der Ruß hergestellt wird. Einige andere Rußherstellungsverfahren ergeben
höhere Ausbeute
an Kohlenstoff als das »Kanal«-Verfahren; aber im
wesentlichen sind in allen Fällen diese Rußarten weicher und weniger zur Verwendung
in Qualitäts-Radreifenlaufflächen geeignet. Diese Rußarten finden andere und vielseitige
Verwendungen, die jedoch im Vergleich zu den relativ großen Beträgen an Hartruß,
die augenblicilich in die Reifenfabrikation gehen, unbedeutender sind. Daher ist
"ein Verfahren, das eine hohe Ausbeute an hartem Ruß ergibt, der ähnliche Eigenschaften
wie Kanalruß besitzt, sehr wünschenswert.
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,Ziele derErfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
von Ruß von größerer Härte und besseren Verstärkungswerten, der mit dem Kanalruß
vergleichbar oder sogar diesem in diesen Beziehungen überlegen ist.
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Ein weiteres Ziel dieser Erfindung besteht darin, die Rußherstellung
durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zu verbessern, durch die dieser bessere
Ruß in außerordentlich kurzer Reaktionszeit ohne Kontakt mit festen Flächen hergestellt
wird, ohne von der Aufrechterhaltung von Strömungsbedingungen wie bei anderen Verfahren
abhängig zu sein.
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Die Zeichnung zeigt schematisch eine bevorzugte Form einer Vorrichtung,
in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird. .
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Fig. z ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ofens längs der
Linie =-i der Fig. ä; Fig. 2 ist ein senkrechter Längsschnitt des gleichen Ofens
längs der Linie 2-2 der Fig. i; Fig. 3 ist ein Teil eines senkrechten Querschnitts
eines abgeänderten, erfindungsgemäßen Ofens mit einer anderen Form des tangentialen
Brennstoffeinspritzaggregates; .
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Fig. 4 zeigt ähnlich Fig. 3 eine dritte Form des tangentialen Brennstoffeinspritzaggregates;
Fig. 5 zeigt einen Teil der Fig. a in größerem Maßstab, und zwar insbesondere das
Kohlenwasserstoff-Einlaßrohr 16 sowie benachbarte Teile, ausführlicher.
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Gleiche Zahlen in den Figuren beziehen sich auf gleiche Teile.
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Die ,Zeichnung ist nur schematisch, und es sind aus Gründen der Einfachheit
Teile wie Speiseleitungen, Rohre für die Luftzuführung, Rohre für die Verbrennungsgase,
Pumpen, Ventile, Zähler, Druckregler, Druckmesser, Temperaturmeßvorrichtungen und
andere herkömmliche Apparate nicht gezeigt. Die Abschreck- und Kühlinittel sowie
die Rußabscheider sind bereits ausführlicher, wenn auch mehr oder weniger allgemein,
in den USA.-Patentschriften 2 375 796, 2 375 797 und 2 375 798 beschrieben.
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Gemäß der Erfindung wird der Ruß durch ein verbessertes Verfahren
hergestellt, bei dem ein Reaktionssystem von zwei zylindrischen Teilen verwendet
wird, eitlem kurzen Teil mit großem Durchmesser, dem sogenannten Verbrennungsteil,
und einem länglichen, gleichachsigen Teil von beträchtlich kleinerem Durchmesser,
dem sogenannten Reaktionsteil. Dabei wird im allgemeinen ein Kohlenwasserstoff,
der sogenannte Reaktionskohlenwasserstoff, zum Zwecke der Umwandlung in Ruß axial
in den Verbrennungsteil eingeführt und anschließend durch den Reaktionsteil des
Ofens geführt. Ein brennbares Gemisch von Luft und Gasöl wird in den Verbrennungsteil
in tangentialer Richtung zur zylindrischen Seitenwand eingeführt und zu Verbrennungsgasen
verbrannt, bevor es mit dem Rußherstellungs- oder Reaktionskohlenwasserstoff in
der Kammerachse in Berührung kommt. Die Verbrennungsgase umhüllen den Reaktionskohlenwasserstoff
auf dem Wege durch den Reaktionsteil, so daß Kohlenstoffabscheidungen auf den zylindrischen
Wändenverhütetwerden.Das tangential zugeführte Gemisch wird mit genügender Geschwindigkeit
eingespritzt, um im Innern des Verbrennungsteiles spiralförmig und durch den Reaktionsteil
im wesentlichen schraubenförmig zu strömen. Diese Gase sollen eine genügende Zentrifugalkraft
besitzen, um eine Schicht von Verbrennungsgasen in unmittelbarer Nähe der Reaktiönskammerwand
aufrechtzuerhalten und demgemäß eine Ablagerung von Kohlenstoff auf dieser Wand
zu verhüten. Der Reaktionskohlenwasserstoff wird in Ruß umgewandelt oder gespalten
durch die Wärme, die auf ihn durch Mischen an der Berührungsfläche zwischen den
Kohlenwasserstoffen und den Verbrennungsgasen und/oder durch Wärmerückstrahlung
übertragen wird. Nach dem Herausströmen aus der Reaktionskammer wird der Gasstrom,
der den Ruß führt, gekühlt und der Ruß durch übliche Mittel abgetrennt, indem z.
B. der Gasstrom durch Filtersäcke oder vorzugsweise durch einen elektrischen Abscheider
und/oder Zyklonabscheider geleitet wird. = Enthält das tangential eingeführte Gemisch
einen Luftüberschuß, so führt dies zur Verbrennung eines Teiles der axial eingeführten
Kohlenwasserstoffe, und zwar derart, daß die Wärme, die sich bei dieser Verbrennung
entwickelt, durch die endotherme Reaktion (Spaltung) von Kohlenwasserstoff zu Kohlenstoff
absorbiert und - die Reaktionstemperatur und die Temperatur der Reaktionsteilnehmer
gesteigert wird.
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Nach der Zeichnung, die eine Ausführungsform einer Vorrichtung zeigt,
in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, besitzt die zylindrische
Reaktionskammer =o ein Futter ii aus hochhitzebeständigem Material, wie Sillimanit,
Tonerde, oder aus anderem zur Verfügung stehenden, für diesen Zweck geeigneten feuerbeständigen
Material. Zwischen diesem feuerbeständigen Futter i i und einem zylindrischen Stahlmantel
13 befindet sich eine Isolationsschicht 12. Am Einströmende dieser Kammer liegt
ein kurzer zylindrischer Teil 14 mit ziemlich großem Durchmesser, die Verbrennungszone.
Dieser Teil hat ein hitzebeständiges Futter =i, das die Fortsetzung des Futters
=i aus der Reaktionszone =o bildet. Das Isoliermaterial 12 erstreckt sich auch rund
um den Einströmungsteil zwischen dessem Futter =i und dem Stahlmantel 13. Am Auslaßende
des Ofens befinden sich ein Kühleraggregat 42, ein Rohrkühler 48 und eine Rußabtrenneinrichtung
49..
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Bei einem verwendeten Ofen hatte die Verbrennungszone 14 einen Durchmesser
von 84 cm bei 30,5 cm Länge, während die Reaktionszone =o im Durchmesser
38 cm und 335 cm lang war. Bei einem anderen Ofen betrug der Durchmesser der Verbrennungszone
84 cm und die Länge 30,5 cm, und die Reaktionszone hatte eine Länge von 335
cm bei einem Durchmesser von 30,5 cm. Diese Abmessungen seien nur als Beispiel
angegeben; und es können einige oder alle Abmessungen
nach Wunsch
geändert werden. Bei einer Änderung der Ofenkonstruktion ist es jedoch notwendig,
daß die Verbrennungskammer einen verhältnismäßig großen Durchmesser im Vergleich
zu ihrer Länge erhält, während für die Reaktionszone das Umgekehrte gilt.
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An der Einström- und Einlaßendwand der Verbrennungszone 14 des Ofens
ist eine Speiseleitung 16 axial derart angeordnet, daß die hierdurch eingeführte
Zufuhr axial durch den Ofen hindurchgeht. Dieses Speiserohr 16 (Fig. 2 und 5) ist
von einem größeren Rohr 17 umgeben, das als Luftmantel bezeichnet wird. Die Anordnung
dieser zwei Rohre 16 und 17 bestimmt einen ringförmigen Zwischenraum 18, durch den
Luft in den Ofen zugeführt wird. Die Luftführung durch diesen ringförmigen Zwischenraum
18 soll das innere Ende des Speiserohres kühlen, um einen Niederschlag von Kohlenstoff
zu verhindern. Natürlich wird, falls sich etwas Kohlenstoff auf das innere Ende
des Speiserohres ablagern sollte, diese Mantelluft oder Ringluft das Entfernen desselben
durch Verbrennen unterstützen. Diese Ringluft ist für das Verfahren nicht wesentlich.
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In der Verbrennungszone 14 sind einige Einlässe 15 (Fig. i und 3)
derart angeordnet, daß das Gas, das dort in die Verbrennungszone geleitet wird,
in tangentialer Richtung zur zylindrischen Wand einströmt. Jeder Gaseinlaß 15 besteht
aus einem kleinen Kanal 2i (Fig. i) und einem anschließenden größeren Kanal 22,
der als Öffnung im feuerbeständigen Futter ii der Verbrennungskammer endigt. Ein
Rohr 2o ragt ein Stück in den kleineren Kanal 2i hinein.
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Die .bei den Versuchen, die später in den Tabellen I und Il erläutert
werden, benutzten tangentialen Brennstoffeinlässe 15 sind in Fig. 3 der Zeichnung
dargestellt. Dieses Aggregat unterscheidet sich von dem in Fig. i gezeigten dadurch,
daß die Ölleitung 26 ungefähr bis zur Hälfte der Erweiterung 22 hineinragt. Durch
diese Brenneranordnung wird ein verbrennbares Gemisch von Brennstoffgas, z. B. Naturgas,
und einem Sauerstoff enthaltenden Gas, z. B. Luft, eingeführt. Dieses brennbare
Gemisch soll, sobald es das innere Ende des Zuleitungsrohres 26 verläßt, zu brennen
beginnen. Brennendes Gas und die Flamme sowie Luft und heiße Verbrennungsprodukte
strömen dann rings um die Wand der Verbrennungszone 14. Bei fortgesetzter Zuführung
des brennbaren Gemisches legen die Flamme und die Verbrennungsprodukte einen schraubenlinienförmigen
Weg zurück bis zu der Stelle, an der der Durchmesser der Schraube kleiner als der
Durchmesser der Reaktionszone io wird. Dann soll im wesentlichen der ganze gasförmige
-Brennstoff verbraucht sein, insbesondere dann, wenn Ölgas und Luft annähernd in
stöchiometrischen Verhältnissen oder mit Luftüberschuß eingespritzt wurde. Die heißen
Verbrennungsprodukte legen darauf einen ebenfalls schraubenlinienförmigen Weg in
unmittelbarer Nähe der zylindrischen Wand durch die Reaktionszone zurück. Der Durchtritt
dieser Verbrennungsgase durch die Reaktionszone wird durch die ununterbrochene Zufuhr
weiteren Brennstoffs und Luft durch die tangentialen Brenner 15 verursacht, und
es verbleibt als einzige Öffnung für den Auslaß das offene Ausströmende des Ofens.
Die tangentialen Öffnungen 22 erstrecken sich im wesentlichen vom Ofenmantel durch
die Isolationhindurch und enden am Rande der Verbrennungszone. Durch die Lage dieser
Brennstoffeinlässe soll der durchgeleitete gasförmige Brennstoff in die Verbrennungszone
in einer Richtung eintreten, die im wesentlichen tangential zu den kreisförmigen
Wandungen- liegt. Der Brennstoff wird ferner durch das Einlaßrohr 26 (Fig. 3) mit
genügender Geschwindigkeit hindurchgepreßt, so daß der Brennstoff während des Brennens
durch die Zentrifugalkraft in unmittelbarer Nähe der Wand der Verbrennungskammer
gehalten wird. Da dauernd Brennstoff zugegeben wird, legen die wirbelnde Flamme
und die Verbrennungsprodukte einen schraubenlinienförmigen Weg zurück, bis der Durchmesser
der Schraube ungefähr gleich oder kleiner ist als der Durchmesser der Reaktionszone
io, so daß die sich drehenden Gase schraubenförmig durch diese hindurchgehen. Bei
der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Ofens soll das brennbare Gasgemisch im 'wesentlichen
vollständig verbrannt sein, und zwar bis zu dem Zeitpunkt, in dem die Gase in die
Reaktionskammer io eintreten, oder bis zu dem Zeitpunkt, in dem das Brenngasgemisch
bzw. die daraus entstandenen Verbrennungsgase mit dem Reaktionskohlenwasserstoff,
der durch das Speiserohr 16 zugeführt wird, in Berührung kommen. Die Abgase und
der in ihnen suspendierte Ruß gelangen aus dem Auslaßende der Reaktionskammer io
unmittelbar in ein Kühlaggregat, das aus einem Wasserkühlmantel 42 und einem Wasserzerstäuber
46 besteht.- Der Innendurchmesser dieses Kühlmantels kann vorzugsweise der gleiche
wie der Durchmesser der -Reaktionskammer io sein, um die schraubenförmige Bewegung
des umhüllenden Gasmantels, der zwischen -dem zentralen Kern und den Reaktionswänden
ix liegt, nicht zu stören. Auf diese Weise werden die Metallwände des Kühlers im
wesentlichen kohlenstofffrei gehalten. Das Rohr 44 führt Kühlwasser aus einer
nicht gezeigten Quelle dem Wassermantel zu, und das Wasser geht durch den Zwischenraum
43 und aus dem Auslaßrohr 45 zu einer gewünschten Anordnung. Das Rohr 47 leitet
Wasser von einer nicht gezeigten Quelle der Sprühdüse 46 zu. Aus dieser Wasserkühlzone
gelangen die Gase und der Ruß durch das Rohr 48 zu einem Rußabscheider 49. Das Rohr
48 kann genügend lang sein, um sowohl als Hilfskühler als auch als Leitung zu dienen.
Wenn dieses Rohr als Kühler dient, wird die Hitze an die Atmosphäre übertragen,
wodurch die erforderliche Sprühwassermenge wesentlich verringert werden kann. Diese
Arbeitsweise vermindert auch den Arbeitsanfall beim Abscheidersystem 49. Das vom
Ruß befreite Gas strömt aus dem Abscheider durch das Rohr 50, während der Ruß durch
das Auslaßrohr 51 nach Wunsch dem Lager oder weiterer Behandlung zugeführt wird.
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- Nachstehend wird die Herstellung einer besseren Rußsorte in einem
Ofen beschrieben, bei dem ein Öl mit folgenden Eigenschaften zu Ruß gespalten -wurde
Destillation (durchgeführt nach »Distillation of gasoline, naphtha,
kerosene,
etc. cc im Teil D 86-38 der »American Society for Testing Materials [Standards 1939]a,
S. 117 u. ff.)
| Erster Tropfen ...................... 216° |
| 50/0 .......... a .................... 232° |
| 1o°/0 ... . ........................... 236° |
| ,20'0% ............................. .. 24I° |
| 3o0/0 ............................... 2,16- |
| 40% ...................... ........ 251° |
| 50°/o ......... ..................... 254° |
| 6o0/0 ............................... 263° |
| ° 700/0 ............................... 273° |
| 8o0/() . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 293° |
| 9o0/0 ............................... 332° |
| Endpunkt .......................... 356° |
| Ausbeute ......................... g60/0 |
| Fließpunkt .......... ................ -40° |
| Kohlenstoffrückstand (Conradson) ..... 0,2o |
| Spezifisches Gewicht ................. 0,936 |
| Anilin-No. ° C *) .°. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
o° |
| Flammpunkt ° C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . g3° |
| Berechnungsindex ................... 1,5342 |
| *) Der Ausdruck »Anilin-No.u beziehtsichauf einebestimmte |
| Prüfung, bei der das Öl im Gemisch mit Anilin erhitzt und |
| anschließend abgekühlt wird. Die angegebene Temperatur ist |
| die, bei der sich das Gemisch in zwei 'getrennte Phasen (Öl |
| und Anilin) zerlegt. Es handelt sich um eine Kennzeichnung |
| des Gehaltes an aromatischen Stoffen im Öl. Je mehr aro- |
| matische Stoffe das Öl enthält, um so niedriger ist die Tem- |
| peratur, bei der diese Trennung eintritt, und je mehr paraf- |
| finische Stoffe das Öl enthält, desto höher muß das Gemisch |
| erwärmt sein, um eine einzige Phase zu bilden. Dies läßt |
| sich damit erklären, daß Anilin. eine aromatische Substanz |
| ist und einander ähnliche -Substanzen -ineinander leichter |
| löslich sind als unähnlichere. - |
Beim Betrieb des Ofens zur Herstellung von hochverstärkendem Ruß mit dem oben beschriebenen,
schweren Kohlenwasserstofföl wird die Ölzufuhr äuf ungefähr 375° vorgewärmt und
bei dieser Temperatur durch das Rohr 16 in lots Verbrennungsende des Ofens eingeführt.
Dieses Rohr 16 kann einen Innendurchmesser von 2,5 cm aufweisen und ist in einem
Luftmantelrohr 17, dessen Innendurchmesser 3,7 cm beträgt, zentriert. Luft wird
dem Ofen durch den Ringraum 18 zugeführt, und zwar etwa 113,3 m3/11. Jedoch kann
die Menge der so zugeführten Luft nach Wunsch geändert werden. Die Hauptsache ist,
daß das Austrittsende der Rohre 16 und 17 hinreichend kühl gehalten wird, um auf
ihm eine Kohlenstoffablagerung zu verhüten, oder daß für den Fall, daß sich Kohlenstoff
gebildet hat, die Luft den Kohlenstoff durch Verbrennen entfernt.
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Bei den weiter unten_angegebenen Beispielen wurde der tangentiale
Öleinlaß 15 der Fig. 3 benutzt. Die Öffnungen 22 hatten einen Durchmesser von etwa
15 cm, und die Rohre ragten ungefähr, wie gezeigt, bis zur Hälfte in die Öffnungen
22 hinein. Es wurden Rohre 26 von verschiedenen Durchmessern benutzt, die vom kleinsten,
6,7 cm, dem mittleren von 8,5 cm bis zum größten von 12,7 cm gingen.
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Nachstehend ist die Analyse des tangential eingespritzten Brennölgases
angegeben:
| Zusammensetzung in 0/0 |
| N2 . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . .
. 8,14 |
| C1 . ...........................: 82,53 |
| C2 . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 5,75 |
| C4 ....... - ........... .......... 0,55 |
| C6 ............. a ................ 0,04 |
(N2 ist Stickstoff und Cl, C2
USW. sind Kohlenwasserstoffs mit =, 2 usw.
Kohlenstoffatomen je Molekül).
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Dieses Brennölgas und die Luft wurden in Verhältnissen gemischt, die
in der folgenden Aufstellung angegeben sind, und das sich ergebende brennbare Gemisch
wurde durch die tangentialen Einlässe 15 mit größerer Geschwindigkeit als die Flammengeschwindigkeit
eingespritzt. Durch diese schnelle Gemischeinspritzung wird die Gefahr einer Explosion
in den Ölgasleitungen vermieden.
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In den folgenden Beispielen wurde die Ölgaszufuhr auf 357° vorgewärmt,
während die Mantel- oder Ringluftzufuhr 113,3 m3/11 betrug; der Abstrom aus der
Reaktionskammer wurde mit Wasser auf ungefähr 677° abgeschreckt, und zwar unmittelbar
nach dem Verlassen der Reaktionskammer. Die Temperatur in der Verbrennungskammer
betrug bei allen Versuchen ungefähr 165o° Ündin der Reaktionskammer ungefähr 1425°.
Die Verbrennungskammer 14 war 84 cm im Durchmesser bei einer Länge von
30,5 cm.' Der Durchmesser der Reaktionszone betrug 38 cm bei einer Länge
von 3,35 m.
| Tabelle I |
| Versuch Tang. Ölrohr Ölzufuhr Tang. Luft Tang. Verhältnis Rußausbeute |
| Nr. . (26) 0 in cm Brennölgas Luft |
| "1j11 Mach m3 /11 zu -Brennölgas k9/1 |
| P z 6,7 189 1133 328 8,9 0,516 |
| P 1 6,7 227 1133 101" 11,2 0,482 |
| P 3- 8,5 284 1700 1g1 8,9 0,56o |
| P 4 8,5 378 2265 2o6 11,0 0,452 |
| P 5 8,5 473 2265 161 14,o . 0,475 |
| P 6 12,7 -643 340o g09 11,o 0537 |
| P 7 12,7 568 4245 385 11,o 0,371 |
| P 8 12,7 663 4245 3.85 11,o 0,385 |
Den Proben des Rußes- aus den vorstehenden Versuchen P i bis P
8 wurden Kautschukmischungen beigegeben und diese zu fertigem G
ummi vulkanisiert.
Die Zusammensetzungsformel war ein übliches Rezept für Butadien-Styrol-Copolymere
und lautete:
| Gewichtsteile |
| Butadien-Styrol-Copolymer ...... ioo,o |
| Zinkoxyd ...................... 3,0 |
| Ruß ........................... 50,0 |
| Asphalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6,o |
| Schwefel....................... 1,75 |
| Beschleuniger .................. o,8 |
Diese Zusammensetzungen wurden
30 Minuten lang bei i53° vulkanisiert und
besaßen nach dem Vulkanisieren die in der Tabelle II angegebenen Eigenschaften.
Es wurden jedoch die Werte der Reihen »Temperatursteigerung«, »Elastizität«, »Abnutzungsverlust«
und »Abnutzungsindex« aus Proben erhalten, die zwar die gleiche, obenerwähnte Zusammensetzung
hatten, aber 45'Minuten lang vulkanisiert und dann 24 Stunden lang bei ioo° im Ofen
gehalten wurden, bevor die Bestimmung der Temperatursteigerung und Elastizität erfolgte.
| Tabelle II |
| z'tMinuten Probe, 3o Minuten vulkanisiert und 4Stunden im Ofevulkanisiert |
| lt n |
| bei roo° |
| 3000/" Zerreiß- Streckung Temperatur- Elastizität Abriebverlust
Abriebindex |
| Probe Modul festigkeit bei Bruch Steigerung |
| F 8I = too |
| kg/cma kg/cm` % o C °/o m g |
| P 2 96,8 188 480 26,7 61,5 3,90 59,5 |
| P 1 108,1 197 483 29,3 60,5 3,67 66,8 |
| P 3 107,5 216 510 29,3 6o,5 3,09 45,0 |
| P 4 1145 183 420 30,2 59,7 2,49 93,2 |
| P 5 126,5 2o6 450 30,2 59,7 2,38 97,3 |
| P 6 111,0 169 410 31,1 59,5 2,63 89,2 |
| P 7 122,5 201 438 34,4 57,5 2,05 1132 |
| P 8 124,5 195 433 33,8 5-7,7- 1,96 1184 |
| F 8i 131,0 I 202 443 32,0 58,7 2,32 100,0 |
In den Tabellen II, IV .und Vb bezieht sich der Ausdruck »3000/, Modul kg/cm2u auf
den Zug in kg/cm2 bei einer Dehnprobe, bei der das Probestück des vulkanisierten
Gummis auf 300 °/o der. ursprünglichen Länge gestreckt wurde. Die »Zerreißfestigkeit
kg/cm2<c stellt den Zug in kg/cm2 beim Eintreten des Bruchs oder-Reißens des
Probestückes dar, wenn es der Dehnprobe weiter unterzogen wurde. Die »Streekungu
stellt die Streckung oder Verlängerung im Augenblick des Bruchs oder Reißens dar.
Die »Temperatursteigerung« kann definiert werden als die Temperatursteigerung in
° C oberhalb 37,8° C einer Gummiprobe von genormter Größe, wenn sie schnellem Biegen
unter genormten Bedingungen unterworfen wird. Die »Elastizität« ist die Ergänzung
des Hystereseverlustes, oder einfacher ausgedrückt, es ist ein Maß der potentiellen
Energie eines Gummistückes, die infolge der angewandten Spannung vorhanden ist,
und die wiedergewonnen wird, wenn die Spannung beseitigt wird. »Abriebverlust« kann
definiert werden als der Gewichtsverlust (in g) eines Probestückes von genormter
Größe, wenn es genormten Abnutzungsbedingungen ausgesetzt wird.
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Der Abnutzungsindex ist in der Tabelle II mit enthalten, da sich der
Verlust in Gramm bei einer Norm von Gruppe zu Gruppe ändert. In der Tabelle II wurde
ein Gummi mit der Rußsorte F81 als Norm genommen und Gummi mit anderen Rußsorten
damit verglichen, z. B. hatte das F-81-Muster einen Abnutzungsverlust von 2,32 g,
während die P-2-Probe 3,9o g verlor. 100 X (2,32 geteilt durch
3,90) = 59,5. Die P-2-Probe war der F-81-Probe unterlegen, da der Gummi
während der Abnutzung mehr Gramm verlor.
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Es wurde die F-8i-Probe als Abnutzungsindexnorm genommen, da diese
Probe eine der am meisten verstärkend wirkenden Rußsorten ist, die durch ein Ofenverfahren
hergestellt werden.
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Es wurden ferner Versuche angestellt, bei denen Vorrichtungen mit
anderen Abmessungen benutzt wurden, als jene zeigten, die für die Herstellung der
in den Tabellen I und 1I aufgeführten Rußsorten benutzt wurden.
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Die in der folgenden Tabelle III angegebenen Werte wurden mit Rußen
erhalten, die in einem Ofen hergestellt wurden, dessen Verbrennungskammer einen
Durchmesser von 84 cm und eine Länge von
30,5 cm hatte. Die Reaktionskammer
hatte einen Durchmesser von
30,5 cm bei einer Länge von 3,35 m. Es wurden
die tangentialen Brennölgaseinlässe 15 der Fig. i bei diesen Versuchsreihen verwendet,
die aus einer kurzen Öffnung 21 mit einem Durchmesser von ungefähr io cm und aus
einer anschließenden längeren Öffnung 22 von ungefähr 20 cm im Duichmesser und einer
Länge von 35 cm an der kurzen Seite bestanden. Ein Metallrohr 2o von ungefähr 9,5
cm Innendurchmesser wurde in die io-cm-Öffnung 21 etwa 5 cm vor Beginn der 2o-cm-Abteilung
entfernt eingesetzt. Das gesamte Aggregat war so angeordnet, daß das durchgeführte
gasförmige
Öl in die Verbrennungszone in einer zu der kreisrunden Wand tangentialen Richtung
eintrat. Die Verbrennung sollte in der-2o-cm-Durchmesserabteilung beginnen. Diese
Reaktionskammer hatte ein go °/ö Tonerdeziegelwerkfutter, das sich gut bewährte.
Die Mengen des zu verrußenden Öls und des Brennölgases, die Ölvorheiztemperatur,
die Größe des Öleinlaßrohres und des Lufteinlaßrohres, die Menge der umhüllenden
Luft sowie die Art, die rußführenden Abgase abzuschrecken, waren die gleichen wie
bei den Versuchen der Tabelle I.
| Tabelle III |
| Versuch Ölzufuhr Tang. Luft Tang. Verhältnis Bußausbeute Temperatur
°C |
| N1. Brennölgas Luft in Verbrenriuügs- |
| llh m3%h ma/h zu Brennölgas kgA kammer |
| P io 378,5 2832 258 i1 0,38o 1649-1704 |
| P ii 436,o 2832 258 11 0,416 1649-1704 |
| P 13 462,0 2832 258- i1 0.473 1649-1704 |
| P -4 284,0 2115 193- i1 0,315 1649-1704 |
| P 15 322,0 2115 193 11 0,419 1649-i7o4 |
| P 16 417,0 2115 193 _ 11 0495 1649-17o4 |
| P 17 455,0 2832 258 io 0,547 1649-17o4 |
| P 19 493,0 2832 236 12 0,464 161o |
| P 21 493,0 2832 - 218 13 0,419 1566 |
| P 23 493.0 2832 203 14 0,424 '1482 |
| P 25 493,0 2832 188 15 0,386 1427 |
| P 27 4930 2832 177 16 0344 1427 |
| P 20 530,0 2832 236 12 0,503 161o |
| P 22 530,0 2832 218 13 0,470 1566 |
| P 24 530,0 2832 203 14 0,463 1482 |
| P 26 587,0 2832 188 15 0,466 1427 |
| P 28 624,0 2832 177 16 0,449 1427 |
Die in Tabelle III verwendeten Rußproben wurden nach demselben, bereits beschriebenen
Rezept für Kautschukmischungen beigemengt und die Gemische 45 muten lang bei 153°
vulkanisiert mit den in der Tabelle IV zusammengestellten Ergebnissen.
| Tabelle IV |
| 45 muten vulkanisiert . |
| Probe 3°° ü/, Zerreiß- Streckung Temperatur Elastizität Abriebverlust
Abriebindex |
| Nr. Modul festigkeit bei Bruch Steigerung F 81 - Ioo |
| kg/cmz kg/cm 0 C °% in g |
| P io 100,5 209 48o 3o,6 '59,5 1,9i 72,0 |
| P 11 122,5 232 455 31I 58,3 1,30 io6,o |
| P 13 118,o 233 465 29,0 58,3 1t27 108,4 |
| P 14 121,0 225 450 322 57,1 134 z02,8 |
| P 15 121,5 227 455 31,0 58,5 1,41 97,7 |
| P -6 i3-,5 221 435 318 59,3 146 94,3 |
| P 17 136;5 217 428 31,2 58,7 1,25 iia,o |
| P ig 121,0- 219 443 30,2 58,8 1,62 111,3 |
| P 21 128,5 220 435 30,2 58,4 1,63 110,5 |
| P 23 133,0 215 425 32,7 . 57,4 1,52 118,5 |
| P 25 121,0 227 46O 32,9 57,2 1,52 118,5 |
| P 27 i26,5 209 430 32,2 58,4 1,63 110,5 |
| P 20 133,5 2o8 423 31,8 58,2 1,76 102,4 |
| P 22 126,o 221- 438 32,7 57,2 1,53 117,6 |
| P 24 126,5 211 420 31,7 57,8 1,59 113,2 |
| P 26 132,0 201 410 30,1 58,3 1,76 102,4 |
| P 28 1355 205 410- 32,0 58,o 1,49 -2-,0 |
Es ist bemerkenswert, daß alle Rußsorten, die geprüft wurden und
in der Tabelle IV aufgeführt sind, mit Ausnahme von dreien (P io, P15 und P16),
vom Gesichtspunkt des Abriebverlustes betrachtet, höher verstärkend wirken als Ruß
FBi.
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Bei allen hier beschriebenen Versuchen entstanden an den Wänden der
Reaktionskammer io keine Kohlenstoffablagerungen. Die schraubenförmig sich bewegende
Schicht der heißen Verbrennungsgase war ein wirksames Mittel, die Rußerzeugungszone
nicht in Berührung mit den Wänden der Reaktionskammer kommen zu lassen.
-
Alle in den Tabellen I und III angegebenen Bußausbeuten sind auf das
ohne Abzug des Vergasungsrückstandes benutzte Ö1 bezogen, das durch die tangentialen
Öffnungen in die Verbrennungsabteilung des Ofens eingespritzt wurde. Wie oben erwähnt
wurde, soll dieser Vergasungsrückstand vollständig oder praktisch vollständig verbrannt
werden, bevor er mit den Reaktionskohlenwasserstofföldämpfen im zentralen (d. h.
axialen) Teil der Verbrennungszone in Berührung kommt.
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Das theoretische Verhältnis Lüft zu Gas im tangential eingespritzten
Ölgas-Luft-Gemisch beträgt io. Zur Ermittlung eines günstigen Verhältnisses wurden
Versuche von unter io bis 16 gemacht. Ein Versuch wurde durchgeführt, bei dem das
Luft-Gas-Verhältnis 9 betrug (gasreich) ; aber es wurden keine Bußsorten entnommen,'
obgleich die Arbeitsweise des Ofens zufriedenstellend war. Es wurden zwei Versuche
P2 und P 3 (Tafel I) gemacht, die ein Luft-Gas-Verhältnis von 8,9 benutzten. Bei
diesen zwei Versuchen war zwar die Bußausbeute hoch, aber die Qualität des Rußes
war nicht besonders gut, wenn man sie vom Gesichtspunkt des Gummiverstärkungswertes
(Abriebwiderstand) betrachtete.
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Dieses Verhältnis kann irgendwo, im wesentlichen innerhalb des entzündbaren
Bereiches des verwendeten Brennölgases liegen. Es ist notwendig, daß das Gemisch
innerhalb des entzündbaren Bereiches liegt, da sonst das Brennölgas nicht verbrannt
werden würde, bevor es mit der Ölzufuhr in der Verbrennungskammer in Berührung kommt.
Als das Luft-Gas-Verhältnis nach Tafel I von io bis 14 und nach Tafel III von io
bis 16 zunahm, blieb die Qualität der erhaltenen Ruße ungefähr die gleiche; aber
es nahm die Ausbeute wie erwartet leicht ab. Je höher die Verhältnisse über io liegen,
desto tiefer waren die Verfahrenstemperaturen, was ein geringeres Abnutzen und Zerstören
des Konstruktionsmaterials zur Folge hatte.
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Die Verbrennung des tangential eingespritzten Ölgases während des
Verfahrens beginnt innerhalb des Durchlasses 22, und zwar ziemlich dicht am Auslaß
des Ölgaseinspritzungsrohres 26 der Fig. 3 oder dicht am Auslaßende des reduzierten
Raumes 21, wenn die tangentiale Öffnungsanordnung der Fig. i benutzt wird. Die Verbrennung
eines Teiles des tangential zugeführten Ölgases in diesem Durchlaß 22 ist eine bevorzugte
Arbeitsweise, zumal auf diese Weise eine gleichmäßigere Flamme aufrechterhalten
werden kann.
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Dies ist jedoch kein wesentliches Merkmal des Verfahrens, zumal die
gesamte Verbrennung in das Innere der 85-cm-Verbrennungskammer verlegt werden kann,
bevor ein Vermischen mit den zu verrußenden Öldämpfen beginnt.
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Die grundsätzliche Trennung der hitzeliefernden Verbrennungsreaktionen
von den rußbüdenden Reaktionen haben das Verbrennungsproblem gelöst, das bei einigen
herkömmlichen Rußofenverfahren mit hohen Durchsätzen auftrat. Bei dem erfindungsgemäßen
Ofen war die Verbrennung bei allen hier berichteten Versuchen gleichmäßig, und es
lagen keine Anzeichen dafür vor, daß bei noch höheren Öldurchsätzen die Verbrennung
nicht ebenso guk gewesen sein würde.
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Fig.4 zeigt schematisch eine abgeänderte Form einer Brenneranordnung
zum Zwecke einer tangentialen Einspritzung des verbrennbaren Öl-Luft-Gemisches in
die Verbrennungskammer 14. Bei Verwendung- eines derartigen Brennerstutzens ragt
der Durchlaß 41 aus der Verbrennungskammer 14 ein ganzes Stück heraus. Gegebenenfalls
kann sich der Durchlaß 41 ganz über die Ofenisolierung erstrecken oder an der in
Fig. 4 veranschaulichten Stelle enden. Der Durchlaß kann durch ein feuerbeständiges
Rohr32 ausgefüttert sein. Das Maß k betrug bei dieser Brennerform 35 cm, c betrug
2o cm, d 15 cm, P 9 cm, e 0,6 cm, m 7,6 cm, n 12 cm und s 14
cm. Das Brennerrohr kann aus einem nichtrostenden Stahl (mit 18 °/o Crund 8 °/o
Ni; oder mit 27 °/o Cr; oder mit 25 % Cr und 20 °/o Ni) oder einem anderen Metall
oder einer anderen Legierung bestehen, die unter den beim Betrieb einer solchen
Einrichtung herrschenden Verhältnissen geeignet ist. Die Abmessungen, die für das
Brenneraggregat der Fig. 4 angegeben wurden, sind nur ein Beispiel und können gegebenenfalls
in gewissen Grenzen abgeändert werden.
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Wenn ein Gas, das im wesentlichen aus Methan besteht, als tangential
einzuführendes Brennstoffgas verwendet wird, sollte das Verhältnis der tangential
zugeführten Luft zu diesem Brennstoffgas zwischen ungefähr 6,6 und ungefähr 2o Luftvolumen
je Gasvolumen liegen, um den Ofen für die Herstellung von Ruß befriedigend zu betreiben.
Die besten-Ergebnisse werden im allgemeinen erhalten, wenn das Luft-Gas-Verhältnis
zwischen ungefähr 9 und ungefähr 16,5 Volumen Luft je Volumen Gas beträgt. In vielen
Öfen ist ein Luft-Gas-Verhältnis von ungefähr 15 Volumen Luft auf i Volumen Gas
das beste, da ein Heruntergehen von 15 auf io Luftvolumen je Gasvolumen zu
einer Überhitzung führt, während bei mehr als 16,5 Volumen Luft je Volumen Gas leicht
zerstörende Vibrationen auftreten.
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Als tangential zuzuführende Brennstoffe können bei dem hier beschriebenen
Verfahren außer Methan Kohlenwasserstofföle (versprüht oder als Dampf), andere Gasöle
oder andere Kohlenwasserstofföle und/oder Gase, die mit Methan oder sogar mit pulverförmigen,
festen Brennstoffen vermischt sind, verwendet werden, jedoch werden flüssige Brennstoffe
bevorzugt. Öle, die an verbrennbaren Stoffen je Volumeneinheit reicher als Methan
sind, erfordern eine größere Menge Verbrennungsluft. Wassergas, Generatorgas, Kohlendestillationsgas
oder sogar Wasserstoff könnten, wenn auch nicht bevorzugt, verwendet
werden.
Der Fachmann kann leicht die für die Verbrennung eines solchen Gases benötigte Menge
Luft bestimmen oder berechnen, wenn die Zusammensetzung des Brennstoffs bekannt
ist. Ist das theoretische Luft-Gas-Verhältnis bestimmt, dann können auch die besten
Verfahrensgrenzen bestimmt werden. Die obere Grenze kann einfach durch Steigerung
des Luftanteils festgestellt werden, bis eine Neigung zum Rückschlagen oder zum
Ausgehen auftritt, und die untere Grenze kann dadurch ermittelt werden, daß man
den Luftanteil verringert, bis man eine Ofenüberhitzung beobachtet. Das erfindungsgemäße
Verfahren soll nicht auf die Verwendung eines geringwertigen Rohgasöles als rußliefernden
Ausgangsstoff beschränkt sein, es können auch andere Öle, wie Kerosin, im Gasolinsiedebereich
liegende Kohlenwasserstoffe, schwere oder leichte Erdöle, sogar schwerere Öle als
die geringwertigen Rohgasöle, Verwendung finden. Es können auch gasförmige Kohlenwasserstoffe
wie Methan, Trockengas, feuchtes oder rohes Naturgas, wie es aus der Gasquelle kommt,
oder Gasolin einer Extraktionsanlage oder Gase aus Raffinationsrückständen verwendet
werden. Ferner können schwerere Kohlenwasserstoffe als normale Gase als Ausgangsstoff
verwendet werden, wie Butan, Pentan od. dgl. Im allgemeinen kann jeder Kohlenwasserstoff
als rußliefernder Ausgangsstoff im erfindungsgemäßen Ofen Verwendung finden.
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Der rußhefernde Ausgangsstoff kann als Flüssigkeit durch einen Sprüher
oder Zerstäuber eingespritzt werden, obwohl es vorzuziehen ist, den Ofen mit einem
Ausgangsstoff arbeiten zu lassen, der drpfförmig eingespritzt wird. Es sind auch
Kohlenwasserstoffe anderer Herkunft als Erdöl geeignet, z. B. bei der Tieftemperaturverkokung
von Kohle anfallende Gase, Kohlenteerdestillate, Ölschieferdestillationsgase und
-destillate. Diese Ausgangsstoffe können jede Art von Kohlenstoffverbindungen enthalten,
wie z. B. gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffe, Paraffine, Olefine, aromatische,
naphthenische und andere Kohlenwasserstoffe. Das hier beschriebene Gasöl ist jedoch
ein bevorzugter Ausgangsstoff.
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Die Konstruktionsmaterialien, z. B. die Vorheizofenrohre, Isolation
und Futter der Reaktionskammer usw., lassen sich entsprechend ihrer Verwendung beliebig
wählen.