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Klasse : 22 b 6 ÖSTERREICHISCHES PATENTAMT
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Verfahren zur Herstellung von Kohlenschwarz und Ofen zur Durchführung des Verfahrens Angemeldet am 11. März 1966 (A 2306/66) ; beanspruchte Priorität : Patentansprüche 1-3 und 5-9 vom 15. März 1965 (Nr. 3320/65) (Anmeldung in Schweden).
Beginn der Patentdauer : 15. Juli 1968.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenschwarz sowie einen Ofen zur Durch- führung des Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenschwarz durch unvollständige Ver- brennung flüssiger Kohlenwasserstoffe mit Hilfe tangential eingeblasener Verbrennungsgase.
5 Bei dem bekannten Verfahren dieser Art wird als Verbrennungsgas Kohlendioxyd verwendet. Es ist jedoch auch bekannt, Kohlenschwarz durch unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas, wie z. B. Luft, herzustellen. In dem Ofen- oder Herdprozess werden dabei die Kohlenwasserstoffe durch Zerstäubungsbrenner in den Ofen eingeführt und unter Wir- belbedingungen verbrannt. Während die Verwendung von Zerstäuber dem Mischen der Kohlenwasser- 10 stoffe mit dem Verbrennungsgas sehr zuträglich ist, sind die Zerstäuber anderseits anfällig gegen Ver- stopfung und erfordern eine sorgfältig Wartung. Ausserdem bleiben sämtliche Aschekomponenten des Öls in dem Kohlenschwarz.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nun dadurch gekennzeichnet, dass man am Boden eines verti- kalen, zylindrischen, mit feuerfestem bzw. strahlungsreflektierendem Material ausgekleideten Ofens 15 einen Vorrat der flüssigen Kohlenwasserstoffe zufliessen lässt und die durch die Wärmestrahlung der Ofen- auskleidung erzeugten Kohlenwasserstoffdämpfe in an sich bekannter Weise mit freien Sauerstoff enthal- tenden Verbrennungsgasen, insbesondere mit Luft, unvollständig verbrennt.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn das Verbrennungsgas schräg nach abwärts eingeleitet wird. Dadurch streichen die Verbrennungsgase direkt über die Oberfläche des Kohlenwasserstoffsumpfes 20 und bewirken so eine gute Durchmischung des flüssigen Ausgangsmaterials mit dem Verbrennungsgas, was bei der Herstellung von Kohlenschwarz unbedingt nötig ist.
Die Erfindung betrifft auch einen Ofen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, der keine Zerstäubungseinrichtung benötigt und der infolgedessen einfacher im Aufbau ist und dennoch Koh- lenschwarz guter Handelsqualität erzeugt.
25 Erfindungsgemäss ist dieser Ofen gekennzeichnet durch einen vertikalen zylindrischen Reaktions- raum, der mit feuerfestem bzw. strahlungsreflektierendem Material ausgekleidet ist, durch eine Ein- lassöffnung am Boden der Ofenkammer für normalerweise flüssige Kohlenwasserstoffe, die so angeordnet ist, dass die in den Ofen gelangenden flüssigen Kohlenwasserstoffe einen Flüssigkeitsvorrat am Boden des
Ofens bilden, durch eine Reihe von tangentialen Einlassöffnungen für das Verbrennungsgas und durch eine 30 Auslassöffnung für die Verbrennungsprodukte am oberen Ende des Ofens.
Durch die tangentialen Einlassöffnungen für das Verbrennungsgas wird eine turbulente Verbrennung
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jener Öldämpfe hervorgerufen, welche durch die Strahlungshitze der Ofenauskleidung erzeugt werden.
Vorzugsweise sind die tangentialen Einlässe schräg nach abwärts gerichtet, so dass das Gas die Oberflä- che des Flüssigkeitsvorrats überstreicht.
Vorzugsweise ist der Boden des Ofens nach oben gewölbt, so dass der Vorrat an flüssigen Kohlenwas-
5 serstoffen in Form eines Ringes vorliegt. Da dieser Flüssigkeitsring nahe der vertikalen zylindrischen
Ofenwand liegt, ist es auf diese Weise einfacher, die Verbrennungsgase direkt auf die Oberfläche der flüssigen Kohlenwasserstoffe zu leiten.
Die Zuflussleitung für die flüssigen Kohlenwasserstoffe ist vorzugsweise schraubenförmig um das Äussere des Ofens gewunden, so dass die Kohlenwasserstoffe vor dem Eintritt am unteren Teil des Ofens
10 vorgeheizt werden.
Der Ofen ist vorzugsweise von einem luftdichten Mantel umgeben, in welchen das Verbrennung- gas eingeleitet wird. Die tangentialen Einlassöffnungen für das Verbrennungsgas leiten das Gas von die- sem Mantel in den Ofen und die Gasströmungsgeschwindigkeit in die Kammer kann normalerweise durch die Kontrolle des Gasdruckes in dem Mantel geregelt werden. Die Verwendung eines den Ofen
15 umgebenden Mantels fördert nicht nur das Vorwärmen des Verbrennungsgases, sondern vermindert auch den Wärmeverlust des Ofens.
Die Menge an Verbrennungsgas wird vorzugsweise so gewählt, dass 40 bis 60 Gew. -0/0 des in den flüssigen Kohlenwasserstoffen enthaltenen Kohlenstoffes in Kohlenschwarz umgewandelt werden.
Jedes geeignete flüssige Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial kann verwendet werden. Der Ofen und 20 das Verfahren gemäss der Erfindungsind jedoch besonders geeignet, Kohlenschwarz aus schweren Kohlen - wasserstoffen, die aus Erdölfraktionen stammen, herzustellen. Das Ausgangsmaterial kann eine Erdöl- fraktion sein, die über 150 C, im besonderen über 250 C, siedet, und ein mittleres Molekulargewicht von mindestens 150 hat. Beispiele von geeigneten Ausgangsmaterialien sind Gasöle, Heizöle und Schmierölextrakte.
25 GeeigneteOfentemperaturenkonnenimBereichvonlOOObisl400 C, vorzugsweise 1100 bis 1300 C liegen. Der anfängliche Verbrennungsvorgang in dem Ofen selbst kann durch eine weitere Periode der
Reaktion zwischen den Verbrennungsprodukten abgelöst werden. Diese weitere Reaktion kann im oberen
Teil des Ofens oder in einer getrennten zweiten Kammer stattfinden.
Nachdem die Verbrennung und die Reaktion der Komponenten abgeschlossen ist, werden die Pro- 30 dukte auf eine solche Temperatur gekühlt, dass die Abtrennung des Kohlenschwarz möglich ist. Bei den normalen technischen Verfahren wird das Kühlen durch Einspritzen von Wasser in die Verbrennungspro- dukte bewirkt und das Kühlen durch direktes Wasserabschrecken kann gegebenenfalls verwendet werden.
Das indirekte Kühlen der Produkte hat jedoch eine Anzahl von Vorteilen gegenüber dem Wasserabschrek- ken und daher wird die Erfindung vorzugsweise in Verbindung mit der in der franz. Patentschrift 35 Nt. 1. 468. 099 beschriebenen Erfindung verwendet. Diese Patentschrift beschreibt einen Rohrkühler mit auf-und abgehenden Schaber, die die Ablagerung fester Teilchen an den inneren Wänden des Kühlers verhindernund beschreibt weiterhin die Verwendung eines solchen Rohrkühlers zum Kühlen der Produkte aus der Kohlenschwarz-Herstellung.
Nach dem Kühlen des Kohlenschwarz kann dieses in bekannter Weise, z. B. mit Hilfe von Elektro- 40 filtern, abgetrennt und gesammelt werden. Bei der Verwendung von Elektrofiltern, ist es von besonderer
Bedeutung, die Isolatoren für die Elektroden frei von Kohlenschwarz-Ablagerungen zu halten und ein besonders günstiges Verfahren, dies zubewirken, wird in der franz. Patentschrift Nr. 1. 471. 044be- schrieben.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung dargestellt, die einen Schnitt durch einen 45 erfindungsgemässen Ofen zeigt.
In der Zeichnung ist eine Reaktionskammer -1-- in Form eines aufrechten Zylinders durchwegs mit feuerfestem bzw. strahlungsreflektierendem Material ausgekleidet. Der Boden - - der Kammer ist kegelformig und es kann eine Leitung-3-vorgesehen sein, die von der Spitze des Kegels zum Ven- til -4- führt. Diese Leitung mit dem Ventil kann gegebenenfalls zum Einführen von Öl in den Ofen 50 verwendet werden. Die Kammer-1-weist einen Mantel-5-in einigem Abstand von der äusseren
Wand der Kammer auf, so dass ein Zwischenraum -6- rund um die Kammer gebildet wird. Der Zwi- schenraum-6-ist mit einer Druckluftquelle, z. B. einem Gebläse7-- verbunden.
Von dem Zwi- schenraum --6-- gehen eine Reihe von Düsen-8- tangential und schräg nach unten durch die Kam- merwand zum Boden-2- der Kammer. Druckluft, die in dem Raum--6- durch die Kammerwand 55 vorgeheiztwurde, kann so gegen den Boden-2-der Kammer geleitet werden, wo sie über den Vorrat an flüssigen Kohlenwasserstoffen streicht, der seinerseits durch eine Leitung9-- auf den Boden der
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Kammer geleitet wurde. Die Leitung --9- umgibt die Kammer schraubenförmig, so dass die flüssigen
Kohlenwasserstoffe ebenfalls vor ihrem Eintritt in die Kammer vorgeheizt werden.
Die tangentialen nach abwärts gerichteten Luftstrahlen aus den Düsen -8- erzeugen Wirbelbedingungen innerhalb der Kam- mer, so dass die Dämpfe, die durch die Hitzestrahlung des Ofens erzeugt werden, zum Teil zu Kohle, 5 Kohlenoxyden und Wasserstoff verbrannt werden. Die Anzahl und Grösse der Düsen --8-- hängt von den
Dimensionen des Ofens ab. In einem Ofen von 0, 8 m Durchmesser wurden 12 Düsen mit einem inneren
Durchmesser von 2 cm als ausreichend befunden. Weitere Reaktion und Verbrennung tritt auf, wenn die
Produkte als eine Mischung aus Gas und Feststoffen nach aufwärts in und durch den Reaktionsraum --10-- streichen. Die Aufwärtsströmung der Reaktionsprodukte wird durch die Druckdifferenz aufrechterhalten, 10 die zwischen den verschiedenen Teilen des Reaktionssystems vorliegt.
Die Produkte werden in einem Rohrkuhler-11-gekuhit, der vertikale Rohre-12-aufweist, die durch einen Kühlmittel enthalten- den Mantel umgeben sind.
Vorzugsweise weisen die Rohre -12- auf- und abgehende Schaber (nicht gezeigt) auf, so wie es in der franz. Patentschrift Nr. 1.468. 099 beschrieben ist. Die gekühlten Produkte gelangen dann in eine 15 Gaskammer --14-- und durch eine Leitung --15- nach aussen zu nicht gezeigten Anlagen, in welchen das Kohlenschwarz abgetrennt und gesammelt wird. Die Abtrennungsvorrichtung kann geeigneterweise ein Elektrofilter sein, welches vorzugsweise in einer Art konstruiert und betrieben wird, wie es in der franz. Patentschrift Nr. 1. 471. 044 beschrieben ist. Das Elektrofilter in dieser Patentschrift weist Ein- richtungen auf, um geringe Mengen des abziehenden Gases, das von dem Kohlenschwarz befreit ist, in 20 die Isolierkammer des Elektrofilters zu leiten.
Die Erfindung wird an dem folgenden Beispiel weiter erläutert.
Beispiel : Ein Ofen, wie in der Zeichnung dargestellt, wurde während einer Zeit von 25 Tagen in einem Grossexperiment betrieben, wobei die durchschnittliche Ausbeute an Kohlenschwarz 1 t/Tag betrug.
25 Als Ausgangsmaterial waren Erdölfraktionen der folgenden Eigenschaften verwendet :
Tabelle :
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Tabelle : (Fortsetzung)
Das Kohlenschwarz wurde in einer Ausbeute von 40 bis 60 Gew. -0/0, bezogen auf das flüssige Ein- 5 satzmaterial, hergestellt und die Proben, die in regelmässigen Intervallen während der Laufzeit der An-
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forcing furnace) war.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Kohlenschwarz durch unvollständige Verbrennung flüssiger Koh-
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10 dassmanamBodeneinesvertikalen, zylindrischen, mit feuerfestem bzw. strahlungsreflektierendem Ma- terial ausgekleideten Ofens einen Vorrat der flüssigen Kohlenwasserstoffe zufliessen lässt und die durch die Wärmestrahlung der Ofenauskleidung erzeugten Kohlenwasserstoffdämpfe in an sich bekannter Weise mit freien Sauerstoff enthaltenden Verbrennungsgasen, insbesondere mit Luft, unvollständig verbrennt.
2. VerfahrennachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, daBdasVerbrennungsgasschrag 15 nach abwärts eingeleitet wird.
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Class: 22 b 6 AUSTRIAN PATENT OFFICE
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Process for producing carbon black and furnace for carrying out the process. Registered on March 11, 1966 (A 2306/66); Claimed priority: Claims 1-3 and 5-9 of March 15, 1965 (No. 3320/65) (filed in Sweden).
Patent period begins on July 15, 1968.
The invention relates to a method for producing carbon black and to a furnace for carrying out the method.
The invention relates to a method for producing carbon black by incomplete combustion of liquid hydrocarbons with the aid of tangentially blown combustion gases.
In the known method of this type, carbon dioxide is used as the combustion gas. However, it is also known to produce carbon black by incomplete combustion of hydrocarbons with a gas containing free oxygen, such as e.g. B. air to produce. In the furnace or hearth process, the hydrocarbons are introduced into the furnace by atomizing burners and burned under vortex conditions. While the use of atomizers is very conducive to mixing the hydrocarbons with the combustion gas, the atomizers, on the other hand, are prone to clogging and require careful maintenance. In addition, all of the ash components of the oil remain in the carbon black.
The method according to the invention is characterized in that a supply of the liquid hydrocarbons is allowed to flow in at the bottom of a vertical, cylindrical furnace 15 lined with refractory or radiation-reflecting material and the hydrocarbon vapors generated by the thermal radiation of the furnace lining are known per se Burns incompletely with combustion gases containing free oxygen, especially with air.
It is particularly advantageous if the combustion gas is introduced obliquely downwards. As a result, the combustion gases sweep directly over the surface of the hydrocarbon sump 20 and thus bring about good mixing of the liquid starting material with the combustion gas, which is absolutely necessary in the production of carbon black.
The invention also relates to a furnace for carrying out the method according to the invention which does not require an atomizing device and which is consequently of a simpler structure and which nevertheless produces carbon black of good commercial quality.
According to the invention, this furnace is characterized by a vertical, cylindrical reaction space, which is lined with refractory or radiation-reflecting material, by an inlet opening at the bottom of the furnace chamber for normally liquid hydrocarbons, which is arranged so that the liquid entering the furnace Hydrocarbons create a reservoir of liquid at the bottom of the
Form furnace by a series of tangential inlet openings for the combustion gas and an outlet opening for the combustion products at the top of the furnace.
The tangential inlet openings for the combustion gas result in turbulent combustion
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caused by those oil vapors that are generated by the radiant heat of the furnace lining.
The tangential inlets are preferably directed obliquely downwards so that the gas sweeps over the surface of the liquid reservoir.
The bottom of the furnace is preferably arched upwards so that the supply of liquid hydrocarbons
5 is present in the form of a ring. Because this liquid ring is close to the vertical cylindrical
In this way, it is easier to direct the combustion gases directly onto the surface of the liquid hydrocarbons.
The inflow line for the liquid hydrocarbons is preferably wound helically around the exterior of the furnace, so that the hydrocarbons before entering the lower part of the furnace
10 can be preheated.
The furnace is preferably surrounded by an airtight jacket into which the combustion gas is introduced. The tangential inlets for the combustion gas direct the gas from this jacket into the furnace and the gas flow rate into the chamber can normally be regulated by controlling the gas pressure in the jacket. The use of a the oven
15 surrounding jacket not only promotes the preheating of the combustion gas, but also reduces the heat loss of the furnace.
The amount of combustion gas is preferably selected so that 40 to 60% by weight of the carbon contained in the liquid hydrocarbons is converted into carbon black.
Any suitable liquid hydrocarbon feedstock can be used. The furnace and the method according to the invention are, however, particularly suitable for producing carbon black from heavy hydrocarbons derived from petroleum fractions. The starting material can be a petroleum fraction that boils above 150 ° C., in particular above 250 ° C., and has an average molecular weight of at least 150. Examples of suitable starting materials are gas oils, fuel oils and lubricating oil extracts.
Suitable oven temperatures may be in the range of 100 to 1400 C, preferably 1100 to 1300 C. The initial combustion process in the furnace itself can go through a further period of time
Reaction between the combustion products are replaced. This further reaction can be in the upper
Part of the furnace or in a separate second chamber.
After the combustion and the reaction of the components is complete, the products are cooled to such a temperature that the carbon black can be separated off. In normal engineering practices, cooling is effected by injecting water into the combustion products and cooling by direct water quenching can be used if necessary.
However, the indirect cooling of the products has a number of advantages over the water quenching and therefore the invention is preferably used in connection with the in French. Patent 35 Nt. 1,468,099 was used. This patent describes a tube cooler with up and down scrapers which prevent the build-up of solid particles on the inner walls of the cooler and further describes the use of such a tube cooler for cooling the products from carbon black manufacture.
After cooling the carbon black this can in a known manner, for. B. with the help of electrical 40 filters, separated and collected. It is special when using electrostatic precipitators
The importance of keeping the insulators for the electrodes free from carbon black deposits and a particularly favorable method of effecting this is described in the French. Patent No. 1,471,044.
The invention is illustrated with reference to the drawing, which shows a section through a furnace according to the invention.
In the drawing, a reaction chamber -1-- in the form of an upright cylinder is lined throughout with refractory or radiation-reflecting material. The bottom of the chamber is conical and a line 3 can be provided which leads from the tip of the cone to the valve 4. This line with the valve can optionally be used to introduce oil into the furnace 50. The chamber-1-has a jacket-5-at some distance from the outer one
Wall of the chamber so that a gap -6- is formed around the chamber. The interspace 6 is connected to a compressed air source, e.g. B. a blower 7-- connected.
From the intermediate space -6- a row of nozzles-8- go tangentially and diagonally downwards through the chamber wall to the floor-2- of the chamber. Compressed air, which has been preheated in the space - 6- by the chamber wall 55, can thus be directed towards the floor-2-of the chamber, where it sweeps over the supply of liquid hydrocarbons, which in turn passes through a line 9 - to the floor of the
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Chamber was headed. The line --9- helically surrounds the chamber, so that the liquid
Hydrocarbons are also preheated before they enter the chamber.
The tangential, downwardly directed air jets from the nozzles -8- create eddy conditions within the chamber, so that the vapors that are generated by the heat radiation from the furnace are partly burned to form coal, carbon oxides and hydrogen. The number and size of the nozzles --8-- depends on the
Dimensions of the furnace. In a furnace of 0.8 m diameter were 12 nozzles with an inner
2 cm in diameter found sufficient. Further reaction and combustion occurs when the
Brush products as a mixture of gas and solids upwards into and through the reaction chamber --10--. The upward flow of the reaction products is maintained by the pressure difference that exists between the various parts of the reaction system.
The products are cooled in a pipe cooler 11 which has vertical pipes 12 which are surrounded by a jacket containing coolant.
Preferably, the tubes -12- have up and down scrapers (not shown), as it is in the French. Patent No. 1,468. 099 is described. The cooled products then reach a gas chamber --14 - and through a line --15- to the outside to systems (not shown) in which the carbon black is separated and collected. The separation device can suitably be an electrostatic precipitator, which is preferably constructed and operated in a manner as described in the French. U.S. Patent No. 1,471,044. The electrostatic precipitator in this patent specification has devices in order to guide small amounts of the gas to be drawn off, which has been freed from the carbon black, into the insulating chamber of the electrostatic precipitator.
The invention is further illustrated by the following example.
Example: A furnace as shown in the drawing was operated for a period of 25 days in a large-scale experiment, the average yield of carbon black being 1 t / day.
25 Petroleum fractions with the following properties were used as the starting material:
Table :
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Table: (continued)
The carbon black was produced in a yield of 40 to 60% by weight, based on the liquid starting material, and the samples, which were taken at regular intervals during the running time
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forcing furnace).
PATENT CLAIMS:
1. Process for the production of carbon black by incomplete combustion of liquid carbon
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10 that at the bottom of a vertical, cylindrical furnace lined with refractory or radiation-reflecting material, a supply of liquid hydrocarbons is allowed to flow in and the hydrocarbon vapors generated by the thermal radiation of the furnace lining are incompletely burned in a known manner with combustion gases containing free oxygen, in particular with air.
2. VerfahrennachAnspruchl, characterized in that the combustion gas slant 15 is introduced downwards.