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Brenner für einen Rußofen Um Ruß gewünschter Eigenschaften bei großer
Produktionsgeschwindigkeit und hohen Ausbeuten zu erhalten, ist es erforderlich,
die zur Dissoziation der flüssigen Kohlenwasserstoffe erforderliche Wärme in besonders
sorgfältig geregelter Weise zuzuführen. Zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen sind
bereits zur Herstellung von Ruß bekannt, und alle arbeiten gemäß dieser Grundforderung.
Von den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ähneln sich viele, aber die häufig
nur sehr geringen Unterschiede sind von grundlegender Wichtigkeit.
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In der Rußindustrie kann eine Verbesserung eines bekannten Verfahrens
oder einer bekannten Vorrichtung, die nur sehr geringfügig zu sein scheint, in Wirklichkeit
aber zu einem unerwarteten und wichtigen Ergebnis führen, sei es, daß die Ausbeute
an Ruß bekannter Sorten bedeutend erhöht wird, oder sei es auch, daß neue Arten
von Ruß, die bisher nicht bekannt waren, erzeugt werden können. Beides ist der Fall
bei dem Brenner gemäß der Erfindung.
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Der Mechanismus der Rußbildung ist sehr verwickelt und-noch nicht
voll aufgeklärt. Es ist jedoch bekannt, daß ein Kohlenwasserstoff unter Hitzeeinwirkung
sich nicht sofort in die Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff aufteilt, sondern
eine Reihe von Umwandlungen durchläuft und eine Polymerisierung im Verfahren stattfindet.
Dementsprechend ist es von großer Bedeutung, wie und wo die Hitze den Kohlenwasserstoffen
zugeführt wird.
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Allgemein gesprochen, hängt also die Teilchengröße- und damit die
verstärkende Wirkung des
Rußes von der Geschwindigkeit und Dauer
der Dissoziationsreaktion und von der Umgebung, in der die Reaktion abläuft, ab.
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So ist es zur Steigerung der Rußqualität durch Reduktion seiner Teilchengröße
oder zur Ausbeuteverbesserung eines bekannten Rußes bestimmter Teilchengröße erforderlich,
daß sich kleine Teilchen bilden und das Wachstum verhindert wird, während nicht
umgesetzter Kohlenwasserstoff in der Reaktionszone verbleibt, und zwar ohne daß
wesentliche Mengen des Rohmaterials verbrennen. Dies wird durch den Brenner gemäß
der Erfindung erreicht.
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Es sind bereits verschiedene Versuche unternommen worden, um das Rohmaterial
aus fremden Quellen zu erhitzen und zu verdünnen. Ein erfolgreiches Verfahren ist
in der USA: Patentschrift 2 419 565 beschrieben, gemäß welcher der Kohlenwasserstoff
in den Reaktionsraum in Dampfform eingespritzt wird. Auch das Verfahren der Patentanmeldung
C 832 IVb/22f ist mit Erfolg angewendet worden, «renn Ruß aus dem in flüssigem Zustand
in den Ofen eingespritzten Rohmaterial hergestellt wird. Beide Verfahren haben jedoch
gewisse Grenzen hinsichtlich der Qualität und Ausbeute des erzeugten Rußes, und
die Erfindung betrifft die Herstellung gleicher oder verschiedener Rußarten mit
höheren Erzeugungsgeschwindigkeiten und Ausbeuten.
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Die Erfindung ermöglicht sowohl die verbesserte Herstellung neuer
Rußsorten als auch die Herstellung verschiedener Rußsorten aus flüssigen Kohlenwasserstoffen
mit besserer Ausbeute. Weiterhin lassen sich gemäß der Erfindung sowohl neue wie
auch bekannte Rußsorten mit hoher Produktionsgeschwindigkeit und hohen Ausbeuten
herstellen. Auch wird gemäß der Erfindung die erforderliche Menge an Wärme und Verdünnungsgasen
auf den als flüssiger Nebel in den Ofen eingespritzten Kohlenwasserstoff übertragen.
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Es ist wichtig, daß das Brenngas in einem engbegrenzten Raum und einem
genügenden Abstand von der Sprühdüse für den Kohlenwasserstoff eingeführt wird,
damit das Brenngas möglichst vollständig verbrannt ist, bevor es den Kohlenwasserstoffstrahl
erreicht. DamitvollständigeVerbrennungsichergestellt ist, wird ein Überschuß an
Luft über die theoretisch erforderliche Menge eingeführt. Dadurch wird auch eine
geringe Menge des Kohlenwasserstoffs unvermeidlich mitverbrannt. Es ist einer der
Vorteile der Erfindung, daß durch den entscheidenden Abstand der Punkte für die
Einführung des Kohlenwasserstoffs, des Brenngases und der Luft die Arbeitsbedingungen
in weiten Grenzen variiert werden können, so daß sich viele verschiedene Arten von
Ruß in bisher nicht erreichter Ausbeute herstellen lassen. Da die Dissoziationsreaktion,
durch die der Kohlenwasserstoff in Ruß umgewandelt wird, in der Hauptsache durch
die Wärmeübertragung von den Verbrennungsprodukten des Heizgases bedingt ist und
da das Sauerstoff enthaltende Gas Luft oder mit Abgasen oder anderen inerten Gasen
verdünnter Sauerstoff ist, steht eine genügende Menge heißer Verdünnungsgase zur
Verfügung, um mit dem Kohlenwasserstoff vermischt zu werden und das Anwachsen der
Rußteilchen zu verhindern.
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Die gewünschte Atmosphäre wird durch Mischen des Brenngases und der
Luft erzielt, indem das Gas in die sich verhältnismäßig langsam bewegende Luftmasse
in einem beträchtlichen Abstand vom Injektor für den Kohlenwasserstoff in einem
Kreis unmittelbar um das Injektionsrohr eingeblasen wird. Dadurch wird eine turbulente
und sehr heiße Masse von Verbrennungsprodukten erzeugt, die hinter dem zerstäubten
Kohlenwasserstoff herströmen, so daß eine Wärmeübertragung maximaler Wirksamkeit
und gleichzeitig eine Verdünnung erfolgt.
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Der Brenner gemäß der Erfindung eignet sich vorzugsweise für schwere
Öle und Teere, die nachstehend kurz als »Rückstandsöle« bezeichnet werden. Solche
Rückstandsöle werden bei den verschiedensten Destillationen und Krackungen von Kohlenwasserstoffen
erhalten, ebenso wie bei der destruktiven Destillation von Kohlen. Sie sind dadurch
gekennzeichnet, daß sie sich unter Atmosphärendruck nicht vollständig verdampfen
lassen, und einige werden 'zu Kohlenstoff gekrackt, schon bevor 5o % verdampft sind.
Es werden beispielsweise Öle mit einem Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff
von etwa 0,75 bis 1,25 und einem mittleren Molekulargewicht von etwa 225
bis 550 verwendet. Derartige Öle haben ein spezifisches Gewicht (20°/q.°) von mindestens
0,99, eine Viskosität bei 99° von im äußersten Falle 1,2° Engler und einen Verkokungsrückstand
nach Conradson von mindestens 1,5.
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Typische Rückstandsöle, die verarbeitet werden können, sind in Tabelle
I aufgezählt.
| Tabelle i |
| Mittleres Spezifisches Verkokungs- Viskosität |
| Ausgangs- Verhältnis rückstand |
| Probe Molekular- Gewicht bei 99° |
| material von H/C |
| gewicht (2o°/4°) nach Conradson in ° Engler |
| I Petroleum ........ 1,08 391,0 1,o67 17,0% 3,1 |
| II Petroleum ........ 1,1 310,5 1,077 17,4% 3,9 |
| III Petroleum ........ 1,16 250,0 o,996 5,0% 1,2 |
| IV Petroleum ........ 1,05 440,0 1,004 20,0% #,6 |
| V Kohlenteer ........ i,09 277,0 1,042 2,0% 1,2 |
| VI Petroleum ........ 1,08 314,0 1,057 15,3% 2,5 |
| VII Kohlenteer ........ 0179 3990 1,168 24001o 3,2 |
| VIII Petroleum ........ 1,15 227,0 1,047 4,0% h4 |
Die verschiedenen charakteristischen Merkmale der Erfindung werden
am besten durch eine typische Ausführungsform des neuen Brenners veranschaulicht,
wie sie beispielsweise ausgewählt und in den Fig. i bis 3 dargestellt ist.
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Fig. i ist eine teilweise fortgeschnittene Seitenansicht eines Rußofens,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Brenner und Fig. 3 ein teilweiser Querschnitt durch
den Brenner und zeigt den Gaskopf mit den Löchern am Umfang und die Zerstäubungsdüse.
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Der Ofen besteht aus einem langgestreckten Reaktionsraum io, der irgendeinen
üblichen, bevorzugt zylindrischen Querschnitt aufweist. Er hat einen Stahlmantel
12, eine Schicht aus isolierenden Mauersteinen 14 und eine Auskleidung 16 aus hochfeuerfestem
Material. Am linken, d. 1i. am Einlaßende ist der Reaktionsraum bei 18 konisch zu
einem Hals 2o von geringerem Durchmesser verjüngt, der die einzige Zufuhrstelle
zum Ofen ist. Der konische Absatz 18 ist wichtig, da er etwa dem Sprühkegel des
zerstäubten Öles entspricht und dadurch die Wärmeübertragung auf das zerstäubte
Öl erleichtert wird. Ein Brennerrohr 22 ist zentrisch in dem Hals 2o angebracht
und erstreckt sich wenigstens bis zu dem konischen Teil 18 in den Ofen.
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Der Reaktionsraum 1o ist auf der dem Brenner gegenüberliegenden Seite
offen. Das offene Ende geht in einen üblichen Rauchgaskanal 24 über, durch den die
gasförmigen Verbrennungsprodukte und mitgeführter Ruß zu den Abscheidern und dann
zum Schornstein gehen.
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Der Mehrfachbrenner gemäß der Erfindung, durch den das Kohlenwasserstofföl
und das Brenngas in den Ofen eingeführt werden, ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
Der Brenner besteht aus einem zentralen Ölrohr 21, das über einen Teil seiner Länge
von dem größeren Gasrohr 22 und einer Verlängerung 23 mit einer gasdichten Kappe
25 am Brennerende umgeben ist. Ein verhältnismäßig kurzes Rohr 26 ist konzentrisch
in etwa gleichem Abstand zwischen der Gasrohrverlängerung 23 und dem Ölrohr 21 angeordnet
und an der dem Reaktionsraum abgewandten Seite bei 28 gasdicht in das Rohr 22 eingeschraubt.
Dieses mittlere Rohr 26 ist so angeordnet, daß es an der dem Reaktionsraum zugewendeten
Seite offen ist. Dadurch streicht der Gasstrom zunächst über die Außenseite des
Ölrohres 21 und strömt dann zurück an der Innenseite der Verlängerung 23.
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Das Rohr 22 und seine Verlängerung 23 sind durch den Gaskopf
30 verbunden, der mit einer Mehrzahl von Öffnungen 32 in gleichen Abständen
voneinander rund um seine Peripherie versehen ist. Dieser Gaskopf 3o kann eine gewöhnliche
Manschette sein oder ein Stück Rohr oder ein anderes Element. Das Gasrohr 21 ist
an dem dem Reaktionsraum zugewandten Ende mit einem langen Nippel 34 versehen, der
innen in das Gasrohr eingeschraubt ist und am anderen die aufgeschraubte Kappe 25
trägt. An der Ausflußdüse ist das Rohr 34 mit einem verengernden Ring 36 versehen.
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Der Brenner ist also sehr einfach aufgebaut und kann zur Reinigung
oder zum Austausch von Normteilen oder auch anderer Größe und Form leicht auseinandergenommen
und wieder zusammengesetzt werden.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Konstruktion des Brenners modifiziert
werden. Beispielsweise kann das Rohr 22 in einer Länge durchgehen und mit Gasöffnungen
versehen sein, so daß der Gaskopf 28 fortfällt. Auch das Gasrohr 21 kann aus einer
Länge bestehen, so daß dann die Verlängerung durch den Nippel 34 überflüssig wird.
Am Ende des Ölrohres 21 kann auch eine Zerstäubungsdüse mit einem Konus im Zufluß
angebracht sein.
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Die Anzahl und Größe der Löcher 32 wird vorzugsweise durch die gewünschten
Verbrennungsbedingungen bestimmt. Ganz allgemein ist es vorteilhaft, so viele Öffnungen
als möglich mit größtmöglichem Durchmesser vorzusehen. Wird jedoch extreme Turbulenz
angestrebt, so werden weniger Öffnungen von geringerem Durchmesser angebracht. In
Fig. 3 sind radial nach außen gehende Öffnungen dargestellt, sie können aber auch
nach vorn, nach dem Brennerende, in einem Winkel gerichtet oder schraubenförmig
ausgebildet sein, so daß die Gase eine Drehbewegung erhalten.
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Das Ölrohr 21 endet außerhalb des Ofens in einer Mischkammer 40, in
der die vorzugsweise zur Erhöhung ihrer Fluidität vorerhitzten Kohlenwasserstoffe,
die durch das Zufuhrrohr 42 durch Luft, Dampf oder andere gasförmige Zerstäubungsmittel
oder deren Mischungen, die durch Rohr 44 zugeführt werden, angesaugt und mit diesen
gemischt werden.
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Die Mischkammer 4o kann irgendeine übliche Form oder Ausgestaltung
aufweisen.
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Das Gasrohr 22 umgibt das zentrale Ölrohr 21 nur auf einem Teil seiner
ganzen Länge und endet außerhalb des Ofens in der gasdichten Abschlußkappe 46. Der
Stutzen 48 dient zur Einführung eines brennbaren Gases in das Innere des Rohres
22.
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Im Betrieb wird der Kohlenwasserstoff mit einem Gas, z. B. Luft, Dampf,
einem inerten oder brennbaren Gas, in Kammer 40 vermischt und durch Rohr 21 in den
Ofen io in Form eines konisch geformten, kleinste Öltröpfchen enthaltenden Nebels
eingeblasen. Zu gleicher Zeit wird ein brennbares Gas, z. B. Naturgas, Koksofengas,
Wasserstoff oder feinstzerteilter flüssiger Kohlenwasserstoff, in den Ofen durch
Gien Gaskopf 3o eingeführt. Luft von niederem Druck (etwa ioo bis 200 mm Wassersäule)
wird durch die Leitung 52 der Kammer 5o zugeführt und tritt dann durch den Ofenhals
2o an dem Gaskopf 30 vorbei in den Ofen. Die Luftgeschwindigkeit wird in
erster Linie durch die Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases und in zweiter Linie
durch die des Kohlenwasserstoffs bestimmt. Es muß nur immer genügend Luft vorhanden
sein, um das gesamte Brenngas und einen nur geringen Teil des Öles zu verbrennen.
Der Gaskopf 30 muß weit genug von der Zerstäuberdüse entfernt sein, damit
alles Gas verbrannt ist, bevor es mit dem Ölnebel in Berührung kommt. Die heißen
Verbrennungsprodukte mischen sich dann innig mit dem Ölnebel, entsprechend den verschiedenen
Strömungsgeschwindigkeiten, so daß die rußbildende Reaktion mit der Einführung des
Öles
in die Reaktionszone augenblicklich erfolgt. Ein Luftüberschuß, soweit dieser zur
Verbrennung des Brenngases nicht benötigt wird, verbrennt naturgemäß eine geringe
Menge Öl.
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Der Abstand von der Ölrohrspitze bis zur Ebene durch die Öffnungen
32 kann in weiten Grenzen schwanken, je nach den für den Ruß geforderten Eigenschaften.
Er soll gewöhnlich nicht kleiner als 150 mm sein und kann bis 56o mm betragen.
Auf jeden Fall muß der Abstand groß genug sein, damit alles Gas verbrannt ist, bevor
es den Ölnebel erreicht, darf aber auch nicht zu groß sein, damit die Gase nicht
wesentlich an Wärme verlieren, bevor sie sich mit dem Ölnebel vermischen.
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Ein wichtiges Merkmal des Brenners gemäß der Erfindung besteht darin,
daß das Brenngas vor der Einführung in den Ofen durch den Gaskopf 30 zunächst hin
zum Brennerkopf und dann zurück außen entlang dem Rohr 26 fließt, denn das Verlängerungsrohr
23 würde alsbald verzundern, wenn es der intensiven Hitze durch das verbrennende
01
ausgesetzt wäre, wenn es nicht durch das zirkulierende Brenngas dauernd
gekühlt würde. Gleichzeitig wird das Brenngas vorerhitzt und erhält höhere Wirksamkeit
durch die durch das Rohr 23 übertragene Wärme.