<Desc/Clms Page number 1>
La présente invention concerne le noir de carbone et plus particulièrement un procédé perfectionné de fabrication d'un noir de carbone possédant des caractéristiques nouvelles combinées de finesse de particules aussi avantageuse que possible et d'un degré élevé de pureté. L'invention concerne aussi une nouvelle installation convenant particulièrement à l'application de ce procède.
En raison de la combinaison remarquable de propriétés du noir de carbone obtenu par le procédé ce l'invention, il est particulièrement précieux comme agen t de mélange dans les compositions de caoutchouc et comme pigment dans la -
<Desc/Clms Page number 2>
fabrication de l'encre ou produits analogues.
D'une manière générale, le procédé de l'invention consiste à injecter violemment dans une flamme soufflée à l'état de forte turbulence dans une enceinte limitée un ou plusieurs courants de gaz naturel ou autres hydrocarbures, désignés ci-après pour abréger "hydrocarbure ou gaz de fabrication" de façon à réaliser un mélange instantané et complet que possible du gaz de fabrication avec les gaz de la flamme soufflée. Puis on fait passer le mélange des gaz de la flamme et du gaz de fabrication dans une chambre de forme allongée, confinée et calorifugée, à haute température, à grande vitesse et sous forte turbulence.
Le gaz de fabri- oation se décompose ainsi en noir de carbone sous l'effet de la chaleur directement absorbée à partir des gaz de la flamme, et le noir de carbone ainsi formé est entraîné dans et hors de la zone de décomposition par le courant gazeux à grande vitesse, est refroidi à une température appropriée permettant de le recueillir, et recueilli d'une manière quelconque courante.'
La flamme soufflée peut être formée par la combustion d'un mélange de combustible fluide dit " gaz combustible ", par exemple de gaz naturel et d'un gaz contenant de l'oxygène, par exemple de l'air.
Suivant une caractéristique particulière- ment avantageuse de l'invention, la proportion d'air@@u d'oxygène doit être sensiblement en excès par rapport à celle qui est nécessaire à la combustion complète du gaz combustible, de façon à former une flamme soufflée oxydante.
Cependant, au lieu d'une flamme soufflée oxydante, on peut former une flamme soufflée neutre ou réductrice, en réduisant la proportion d'air dans le mélange combustible à une valeur égale.ou inférieure à celle qui est nécessaire à la combustion complète du gaz combustible. On a constaté que la nature de la flamme exerce une notable influence sur les caractéristiques du noir de carbone produit.
<Desc/Clms Page number 3>
Certaines caractéristiques spéciales et combinaisons de diverses caractéristiques que doit posséder un noir de carbone destiné à la formation .de mélanges de caoutch@uc dépendent dans une large mesure du type de .composé 'de caoutchouc: à fabriquer et des propriétés qu'on, désire faire acquérir aux @@objetsn@@ caoutchouc qu'il sert à fabriquer.
En effet, .si l'on-.choisit un type de noir carbone par exemple du noir de carbone d'impact de la quailité pour caoutchouc, on constate que la composition de caoutchouc c ainsi obtenue est complètement renforcée, c'est-à-dire que la composition de caoutchouc vulcanisée possède une forte résistance à la traotion, un module élevé de rigidité et d'excellentes propriétés de résistance à l'usure. En conséquence, ce type de noir de carbone est dit "noir de renforcement total". Si l'on choisit un autre type de noir de carbone, en effectuant le mélange dans des conditions équivalentes, on constate que la résistance à la traction et à l'usure de la composition de caoutchouc vulcanisée ainsi obtenue est moindre. Ces noirs de carbone sont dits généralement "noirs de semi-renforcement" ou parfois "noirs tendres".
De même, certains noirs de carbone font acquérir aux oompositions de caoutchouc un module relativement faible.
D'autres forment des compositions de caoutchouc qui s'é- chauffent très fortement par flexion, d'autres leur font acquérir des propriétés de fort rebondissement, d'autres encore une résistivité électrique forte ou relativement faible, Les caractéristiques des noirs de carbone sont ainsi désignées d'après les caractéristiques de la composition de caoutchouo normale avec laquelle ils sont mélangés, c'est-à-dire de module élevé ou faible, de résistivité électrique forte ou faible, de rebondissement fort ou faible, etc.
<Desc/Clms Page number 4>
Le procédé de l'invention convient particulièrement à la préparation d'un noir de carbone caractérisé par la finesse la plus avantageuse de ses particules, un degré élevé de pureté, une intensité de coloration la plus avantageuse, une réaction non acide, la facilité avec laquelle il peut être manipulé économiquement dans la formation des mélanges de caoutchouc, de l'encre, etc. et son aptitude à faire acquérir une combinaison remarquable de propriétés aux composés de caoutchouc auxquels il est incorporé.
En tant qutagent de formation des mélanges de caoutchouc le noir de carbone de l'invention possède une nouvelle combi- naison de caractéristiques, à savoir qu'il est facile à traiter, ne gêne pas la vulcanisation et fait acquérir aux compositions de caoutchouc avec lesquelles il est mélangé un renforcement total, une résistance supérieure à la flexion, un faible hystérésis, une conductivité électrique satisfai- sante, une stabilité thermique satisfaisante et de bonnes propriétés de vieillissement. Le procédé de l'invention permet de faire varier dans une certaine mesure les diverses caractéristiques individuelles du noir de carbone, en fai- sant varier les conditions dans lesquelles on opère, ainsi qu'on le verra plus loin en détail.
D'une manière générale, l'installation de l'invention consiste dans une chambre de réaction de forme allongée, ne contenant pas d'obstacle et calorifugée, comportant à une extrémité un dispositif pour faire brûler le mélange combustible gazeux dans des conditions de nature à projeter la flamme résultante à grande vitesse dans la chambre de réaction et à continuer à faire passer les produits de la combustion dans cette chambre. Des orifices sont ménagés au voisinage de l'extrémité de la chambre où se trouve le brûleur de façon à injecter dans la chambre, et dans le courant de gaz,chauds
<Desc/Clms Page number 5>
qui y passe, un ou plusieurs courants de gaz d'hydrocarbure de fabrication.
On peut faire varier entre des limites étendues les dimensions de la chambre de réaction suivant la capacité qu'on désire obtenir et pour satisfaire à diverses conditions de fonctionnement. Les proportions relatives de la chambre et l'emplacement des orifices d'injection du gaz de
EMI5.1
fCLbrica tion sont aussi susceptibles de modifications, ainsi' qu'on le verra plus loin.
On a obtenu des résultats de fonctionnement satisfai-
EMI5.2
sants à l'échelle semi-indus trielle , par exemple, avec une installation consistant en une chambre cylindrique do forme
EMI5.3
allongée et calorifugée, d'un di4r.étre intérieur de 18 cm et d'une longueur de 40 em. On insuffle à l 'extrémi.té- 1 2uont de lu 0:][;.:1;; bre un mélange hétérogène se composant de 10 parties d'air et 1 partie de gaz naturel en volume avec un débit de 250 m3 par heure.
On injecte le gaz naturel, consistant principalement en méthane et constituant le gaz de fabrica-
EMI5.4
tison, dans la chambre avec un débit de 28#3 m3 par heure par quatre orifices de 6,35 mm dirigés radialen.ent répartis à 90 autour de la chambre et-situés à une distance de 34 cm de l'orifice d'arrivée du gaz combustible . Le gaz de fabrication ainsi injecté dans les gaz chauds de la flamme se mélange
EMI5.5
prcsqu 'lnst.;ntal1émen t avec eux et s'échauffe ainsi à haute température. Au cours de cette opération, la température de la cll1.lli:bre en un point situé à 60 cm en aval du point d'injec- tion du gaz de fabrication est de 1260 C et celle des gaz sortant de la chambre est de 1408 C.
On abaisse la tempéra- ture desGaz sortent de la chambre à une valeur d'environ
EMI5.6
76010 en les f4:isant passer dns un siègent de refroidis-,6c.ent â eheaisa d'eau, puis on les refroidit à une température inférieure à 315 C et on les recueille dI ns un filtre du typo à sac.
<Desc/Clms Page number 6>
En faisant usage de l'installation décrite ci-dessus, on peut faire varier dans une certaine i.iesure les caraété- ristiques du noir de carbone préparé par le procédé de l'in- vention a) en faisant varier les proportions relatives d'air et de gaz dans le mélange soufflé, b) en faisant varier les proportions relatives du gaz de fabrication et des gaz soufflés, o) en faisant varier dans une certaine mesùre la température et le gradient de température dans la chambre, d) en faisant varier la durée de contact des particules de noir de carbone avec les gaz à la haute tempéra tare de réaction, e) en faisant varier l'importance de la charge traitée dans un four dé dimensions données, ou f) en intro- duisant un supplément d'air, d'oxygène, de vapeur ou autre agent oxydant.
On décrira ci-après en détail l'invention dans son ap- plication avec une flamme soufflée oxydante, suivant laquelle la proportion d'air dans les gaz soufflés doit être supérieu- re à celle qui est nécessaire à la combustion complète, généralement d'au moins 10% environ et de préférence de 25% en excès par rapport à la proportion nécessaire à la oom- bustion complète. Toutefois, la proportion d'air doit être beaucoup plus faible que celle qui est nécessaire à la combustion de la"totalité des gaz d'hydrocarbures, c'est-à-di- re de ceux qui sont contenus dans les gaz soufflés + l'hy- drooarbure injecté dans la flamme soufflée; Le mélange combus- tible soufflé peut être formé d'avance ou s'effectuer dans la tuyère du brûleur.
On peut obtenir la flamme soufflée active extrêmement turbulente qui convient le mieux au procédé de l'invention en brûlant le mélange de gaz soufflés dans des conditions de très grande vitesse d'une flamme soufflée, c'est-à-dire à une vitesse de sortie de la tuyère supérieure à environ 10,5 m par seconde et de préférence comprise entre 24 et 25,5 m/sec. Une vitesse de sortie de la tuyère comprise entre
<Desc/Clms Page number 7>
environ 16,5 et 41 m/sec, soit supérieure à la vitesse normale de fonctionnement d'un brûleur à injection, a donné des résultats particulièrement satisfaisants. Cette vitesse de sortie de la tuyère peut varier dans une certaine mesure avec la section de la tuyère, Mais elle doit être suffisante pour forcer une flamme soufflée extrêmement turbulente.
De préférenoe, la température de la flamme soufflée su point d'introduction du gaz de fabrication ne doit pas dépasser environ 1425 C, bien qu'elle puisse être supérieure et atteindre par exemple environ 1595 C. La température au point d'introduction du gaz de fabrication n'est pas nécessairement la température maximum atteinte au cours de l'opération, car la combustion continue au-delà de ce point, suivant les conditions particulières dans lesquelles on opère. Dans les installations de dimensions industrielles, la zone de température maximum se trouve généralement un peu plus loin en aval.
Il n'est pas possible à l'heure actuelle d'indiquer avec certitude la nature et la composition précises de la flamme soufflée dans la zone d'introduction du gaz de fabri- cation, ou l'effet spécial produit par ces conditions sur la nature du noir de carbone produit. On peut dire cependant avec certitude que, dans la zone d'introduction du gaz de fabrication, la flamme est extrêmement turbulente et à l'état ionisé. Il est probable que les gaz de la flamme contiennent dans cette zone des quantités considérables d'hydrocarbures partiellement oxydés, tels que des aldéhydes et composés analogues.
En raison de la haute température et de l'état instable des gaz de la flamme, il est extrômement difficile, sinon impossible, d'effectuer une analyse précise, mais on a constaté une odeur nette analogue à colle des aldéhydes.
Le fait que la combustion du gaz combustible continue dans la zone d'introduction du gaz de fabrication est mis en évidence par l'observation selon laquelle on a constaté que même si on
<Desc/Clms Page number 8>
n'introduit pas de gaz de fabrication, la température maximum des gaz dans la chambre est atteinte en un point situé en aval dans cette chambre, Les dispositifs qui permettent d'arriver aux résultats qu'on désire sont décrits ci-après et il n'est pas indispensable de connaître la théorie avec précision pour arriver à ces résultats.
Pour faire fonctionner l'installation, on injecte, ainsi qu'il a déjà été dit, la flamme soufflée dans une chambre de forme allongée, ne contenant pas d'obstacle et de préféren- ce calorifugée pour éviter des pertes ,de chaleur corisidéra- bles par rayonnement. On proportionne la charge 'introduite dans la chambre par rapport à sa section transversale de façon à établir une forte turbulence dans toute sa longueur' On injecte, le gaz de fabrication séparément dans la flamme soufflée dans une zone où la combustion a progressé de façon à former une flamme active, mais avant que la combustion soit complète, ainsi que l'indique la nouvelle élévation de tem- pérature.
Le gaz de fabrication peut être introduit sous forme d'un ou plusieurs jets à grande vitesse. Il doit être intro- duit de façon à ne pas venir rencontrer les parois qui limitent! la chambre avant de s'être mélangé notablement avec les gaz de la fleure, sinon le 'carbone se déposerait rapidement 'au point d'impact, en diminuant le rendement le plus avantageux en noir de carbone possédant les caractéristiques désirées,
On introduit-de'préférence le gaz de fabrication par des tuyaux réfractaires conducteurs de la chaleur, traversant les parois chauffées de la chambre,
de façon à le préchauffer dans une certaine mesure avant qu'il 'vienne en - contact avec le gaz soufflé et à une vitesse suffisante pour aspirer le"gaz de la flamme et de façon à projeter le jet de gaz de fabrication et les gaz aspirés de la flamme dans la flamme soufflée et à les empêcher ainsi de venir en contact aveo les parois qui limitent la chambre de réaction.
<Desc/Clms Page number 9>
Le gaz de fabrication doit se mélanger rapidement et uniformément avec les gaz de la flamme. Ce résultat est obtenu de préférence en injectant les gaz de fabrication dans le courant de gaz de la flamme suivant un angle assez grand par rapport à la direction du courant de gaz de la flamme, par exemple de 30 environ au moins, On a obtenu de bons résultats en injectant les gaz de fabrication sensiblement à angle droit dans le courant des gaz de la flamme, mais il n'est pas indis- pensable de le faire pour obtenir de bons résultats avec le procédé de l'invention, pourvu que le mélange avec les gaz de la' flamme s'effeoe rapidement et uniformément.
Avant d'injecter le gaz de fabrication dans la flamme soufflée, il peut être avantageux de le préchauffer à une température à laquelle il subit un commencement de cracking, mais non à une température voisine de celle à laquelle des dépôts de coke ou de carbone se forment.
Ce préohauffage peut s'effectuer par la chaleur absorbée dans les tuyaux réfraotaires conducteurs de la chaleur par lesquels le gaz de fabrication arrive dans la chambre du four, Par exemple, les tuyaux d'arrivée du gaz de fabrication peuvent être en une matière réfractaire telle que 'le carbure de silicium' et disposés de façon à traverser les parois du four par des orifices ménageant un intervalle suffisant pour permettre de régler la position de l'extrémité de sortie des tuyaux par rapport à la paroi intérieure de la chambre de réaction.
On peut ainsi faire affleurer l'extrémité de sortie du ou des tuyaux d'arrivée du gaz de fabrication avec la surface intérieure de la paroi de la chambre ou les prolonger au-delà de la paroi dans la flamme soufflée pour réaliser un préchauf- fage supplémentaire ou une pyrolyse partielle du gaz de fabrication.
Le mélange gazeux passe dans la chambre de réaction sans obstacle et est maintenu en mouvement à grande vitesse et à l'état de forte turbulence, à une température assez élevée
<Desc/Clms Page number 10>
pour @@@@@oser le gaz de fabrication pendant un temps suffi- sant pour provoquer la formation de particules de carbone en suspension dans le mélange gazeux. Les produits de la réao- tion sont maintenus à haute température pendant -un temps suffisant pour provoquer le cracking à peu près complet de l'hydrocarbure qu'ils contiennent, puis on les refroidit et on en sépare le carbone. Les conditions de fonctionnement, telles que la température et la durée de la réaction, dépen- dent l'une de l'autre dans une mesure considérable.
On peut aussi faire varier dans une certaine mesure les autres conditions entre les limites indiquées plus loin en détail,
L'invention est décrite en. détail ci-après avec le dessin ci-joint à l'appui qui représente une installation d'un type convenant particulièrement à l'application du procédé de l'invention et sur lequel ;
la fig. 1 est une coupe longitudinale de l'Installa - tion, - la fig. 2 est une coupe transversale suivant le. ligne 2-2 de la fig. 1, la fige 3 est une coupe transversale 'à plus grande échelle du bloo du brûleur, et la fig. 4 est une coupe de l'ensemble d'un brûleur d'un autre type. -
L'installation comporte une cornue.ou ohambre de réaction 1, cylindrique 'et de forme allongée, garnie d'@n revêtement en briques réfractaires 2. Le revêtement en briques réfractaires est entouré par deux couches extérieures respectives 3 et 4 en une matière calorifuge, entourées toutes deux par une enveloppe cylindrique 5 en tôle d'aoier.
L'extrémité antérieure de la cornue cylindrique comporte un bloo de brûleurs 6 en une matière céramique résistant à la chaleur et percé de plusieurs orifices évasés 7 de soufflage, représentés en détail sur la fige 3. Les dimensions du bloo du brûleur sont choisies de façon à lui permettre de coulisser
<Desc/Clms Page number 11>
dans l'extrémité antérieure de la chambre cylindrique 1, dans laquelle il est fixé d'une manière appropriée.
On fait passer un mélange combustible de gaz com- bustible et d'air sous pression par une conduite 8 dans une chambre 9, d'Où il est insufflé dans la ohambre 1 à travers la tête de brûleur 10 et par les orifioes de soufflage 7 du bloo du brûleur 6.
La tête 10 du brûleur se compose de plusieurs tubes 11 supportés par des plaques 12 et 13 qu'ils traversent, de sorte que les extrémités du tube 11 les plus voisines du bloc du brûleur pénètrent légèrement dans les orifices de soufflage 7. La plaque 12 est fixée d'une manière appropriée sur la paroi de l'extrémité de la chambre 1.
La plaque
13 est fixée sur l'enveloppe de la chambre 9 de plus grand diamètre de façon à former un joint hermétique,
Pour faire fonctionner l'installation, on refoule un mélange combustible d'air et de gaz sous forte pression dans la conduite 8 et dans.la chambre 9 et on le fait sor- tir par les orifices de soufflage 7 dans la chambre 1 dans laquelle les gaz soufflés s'allument et brûlent en formant une flamme soufflée à l'état de très forte turbulence qui pénètre sous forme de flamme active dans la chambre 1 jus- qu'en un point,situé au-delà des tubes d'introduction 14a .du gaz de fabrication.
Les tubes 14a et 14b d'introduction du gaz de fabrication communiquent à leurs extrémités extérieures avec des distributeurs appropriés tels que des tuyaux annulaires 15a et 15b et traversent les parois,2, 3 et 4 pour aboutir dans la chambre 1. Ainsi qu'il a déjà été dit, l'extrémité Intérieure des tubes d'introduction du gaz de fabrication peuvent affleurer la paroi intérieure de la chambre ou se ,prolonger sur une distance plus ou moins grande dans la flamme soufflée. De préférence, on dispose les tubes d'introduction du gaz de fabrication de façon à pouvoir ré-
<Desc/Clms Page number 12>
gler la position de leurs extrémités intérieures par rapport à la paroi intérieure et la chambre 1.
De préférence, les tubes d'introduction du gaz de fabrication font un angle assez grand avec l'axe longitudinal de la chambre 1. Ces tubes sont représentés sur la figure dans une position perpen- diculaire à la direction du courant de gaz chaud passant dans le four, mais on peut faire varier sensiblement la valeur de cet angle.
L'installation représentée comporte deux séries de six. tubes d'introduction du gaz de fabrication, représentées chacune en détail sur la fig. 2. Toutefois, suivant les dimensions et la capacité de l'installation, on peut y monter un nombre plus grand ou plus petit de tubes d'introduction du gaz de fabrication. De même, les tubes d'introduction du gaz de fabrication de l'installation représentée sont disposés de façon à faire correspondre à chacun d'eux un tube diamétralement opposé. On a constaté que par cette disposition on réalise un mélange plus rapide et plus intime du gaz de fabrication avec la flamme soufflée et que le courant de gaz de fabrication risque moins de venir rencontrer les parois de la chambre avant d'être suffisamment dilué pour empêcher des dépôts de carbone de se former sur la paroi.
Ainsi qu'il a déjà été dit, l'installation repré- sentée comporte deux séries du tube dtintroduction du gaz de fabrication 14a et 14b, dont l'une est située un peu plus loin en aval que l'autre, de façon à permettre de régler la position du point d'introduction du gaz de fabri- . cation par rapport à la fiacre soufflée. On peut disposer dans l' installation des séries supplémentaires de tubes d'introduction du gaz de fabrication, de façon à en faciliter encore le réglage. En général, on n'utilise qu'une seule série à la fois et le choix de la série utilisée dépend généra- lement .le la longueur de. la flamme soufflée dans les condi- tions spéciales dans lesquelles on opère.
<Desc/Clms Page number 13>
Le mélange ainsi obtenu des gaz de la flamme soufflée, du gaz de fabrication et de ses produits de décomposition continue à circuler dans la chambre 1 et en sort pour arri- ver dans une chambre cylindrique 16 dont la section transversale est un peu plus grande que celle de la chambre
1, ainsi qu'on peut le voir, Les parois 17 de la chambre 16 sont de préférence en briques réfractaires ou matériau analogue résistant aux hautes températures et ne sont de préférence pas calorifugées, sinon légèrement, de façon à permettre à une assez forte quantité de chaleur de se transmettre dans l'atmosphère et à provoquer ainsi un refroidissement progressif des produits de décomposition qui y passent.
Si on le désire, la chambre 16 peut être entourée d'une chemine d'eau ou d'air pour réaliser un refroidissement artioifiel. Mais.' si la chambre 16 est -assez longue, on obtient naturellement un refroidissement approprié Le mélange de gaz et de particules de carbone en suspension sortant de la chambre 16 peut arriver dans un élément de refroidissement ordinaire par arrosage, avec de 1 t'eau et dans un dispositif dans lequel on le recueille.
Lorsqu'il s'agit d'une opération industrielle dans laquelle plusieurs chambres de réaction fonctionnent, on a constaté qu'il est avantageux de disposer une chambre de mélange rectangulaire de grandes dimensions dans laquelle se déchargent plusieurs cornues, au lieu d'une chambre séparée telle que la chambre 16 pour chacune des cornues.
La chambre 16 a principalement pour but de maintenir le mélange de la réaction à une température élevée pendant une durée suffisante pour que la réaction soit complète et que le produit qu'on désire obtenir se forme. Mais, au cours de cette opération du traitement, il n'est pas nécessaire de maintenir la même température que dans la
<Desc/Clms Page number 14>
EMI14.1
.....r: e de 1 réaction et il paraît avantageux de faire di-lirier la température relativement lenteuentt De plus, il est possible, au cours de cette opération, de faire diminuer la turbulence.
@@ On le désire, la section de la chambre 16 peut être la môme que celle de la chambre 1 et on peut obtenir le f@cteur tei..ps qu'on désire en augmentant la longueur de la chambre. Toutefois, pour réaliser une économie de cons- truction, on donne généralement à cette chambre une section plus grande, comme l'indique le dessin, au lieu d'en aug- menter la longueur.
De plus, il n'est pas indispensable que les chambres 1 et 16 soient cylindriques. Elles peuvent être rectangu- laires par exemple.
Il doit exister entre la section transversale et la longueur de la chambre 1 et sa capacité de fonctionnement,
EMI14.2
c'est-à-dire le volume du i,.-.6lange gaz-eux qui y passe, une relation de nature à y maintenir une grande vitesse et une forte turbulence pendant une durée suffisante pour provoquer la fomation des pellicules de carbone dans des conditions de très forte turbulence. Si la chambre est cylindrique, ainsi qu'il est représenté, on constate
EMI14.3
G'dl1':i.';.::I...ent que son diamètre ne doit pas dépasser environ 60 cal. Si le diamètre de le. chambre cylindrique est plus ,¯;Land, l'injection du gaz de fabrication et son mé1EU':.:;e avec la fiante soufflée e-uLvent donner lieu à des difficultés.
De z..:.e, si la ch..bre de réaction est rec- ;.t!'üß7.'8, il convient qu'une au DO ins de a'?3 dimensions transversales ne soit pas sr;sible!Y'0nt sulér.:.L.:E à 60 es environ Lorsque la sc.l.:ion ¯.::f]G7e:r3ale ,:;'9 la chambre Ie réaction el-1-t 'elati7.er.e.1t faible, qui, peut se coréen ter d'un seul jet soufflé au lieu du bloc de brûleur ire jets multiple;; tel. qu'il e-t ::t'0.1.::c-Ss-:nt:S. TJute±==1;,, les irsta7¯'a-
<Desc/Clms Page number 15>
tions de plus grande dimension, dont le diamètre de la section est d'environ 25 om ou davantage, doivent comporter plusieurs ajutages pour faire arriver un volume suffisant de la flamme soufflée à la vitesse et la turbulence qu'on désire et réaliser une extension uniforme de la flamme dans la section transversale de la chambre.
Le diamètre de la section réduite de la ou des tuyères de soufflage ne doit pas dépasser environ 5 à 6,3 cm.
D'une manière générale, les diamètres supérieurs à 6,3 cm ne donnent pas de bons résultats, Les blocs de brûleur , construits de façon à faire naître une zone de courants troublés à la périphérie de la sortie de chaque tuyère paraissent oontribuer à maintenir allumés les gaz soufflés à la sortie de la tuyère, à permettre au jet de prendre sa vitesse maximum et contribuer à maintenir un taux de combustion maximum et une extension uniforme de la flamme dans la section transversale du four. Une portion assez grande d'une surface relativement plane de la face du bloo du brûleur parait contribuer à établir et à maintenir cette, zone de courants troublés.
La section totale des orifices du brûleur doit être choisie de façon à communiquer au mélange combustible qui y passe une, vitesse appropriée pour former une flamme soufflée extrêmement turbulente et d'une vitesse suffisante pour l'empêcher de revenir en arrière dans la conduite d'alimentation, lorsqu'on utilise un mélange préalable d'air et de gaz. On a obtenu des résultats de fonctionnement,- satisfaisants, ainsi qu'il a déjà été dit, avec une vitesse à la sortie des tuyères du gaz soufflé comprise entre environ 10,5 et 41 m/sec, basée sur des volumes mesurés à 16 0 et sous une pression absolue de 760 mm Hg.
On a obtenu des résultats particulièrament satisfaisants avec une vitesse dans la tuyère d'environ 26 m/seo,
<Desc/Clms Page number 16>
Au lieu de faire arriver un mélange préalable d'air et de gaz dans l'installation, on peut les faire arriver sépa- rément, par exemple comme l'indique la fig. 4, qui représente un ensemble formé par un bloc de brûleur 6, tel que celui dé la fig. 3 et par une tête de brûleur 10 dans laquelle on fait arriver par la conduite 8 de l'air non mélangé avec le gaz combustible. Dans ce dispositif, le gaz combustible est projeté dans les courants d'air passant par des tubes 11 par des ajutages à gaz 18 dans lesquels le gaz combustible arrive sous pression au moyen d'un distributeur approprié 19.
On peut faire varier les dimensions les plus avan- tageuses de la cornue suivant la capacité de l'installation et, pour une installation donnée, les conditions de fonc- tionnement peuvent varier entre d'étroites limites.
Il est indispensable de maintenir une flamme soufflée extrêmement turbulente et d'injecter le gaz de fabrication dans la flamme active. Il est également indispensable que la vitesse du mélange de gaz dans la chambre de la cornue soit suffisante pour y établir un état de forte turbulence.
On a obtenu une turbulence satisfaisante dans des installations de dimensions industrielles avec une vitesse d'environ 10,5-à 30 m/sec, mesurée dans-les conditions de marche, c'est-à-dire à une température moyenne de 1515 C, ou avec une vitesse d'environ 120 à 330 m/sec, calculée dans les conditions normales de 16 C et de 760 mm Hg.
On a obtenu des résultats particulièrement avantageux avec une vitesse de 18 à 27 m/sec environ, basée sur une température moyenne de 1315 C, ou d'environ les à 300 m/sec. dans les conditions normales. Une vitesse moindre ne donne satisàction que dans des chambres de section transversale relativement faible, par exemple ne dépassant pas 35 cm de diamètre,
<Desc/Clms Page number 17>
On p@ut aussi faire varier la durée pendant laquelle. la. turbulence est maintenue.
Dans les conditions de Marche habituelles, la portion à grande vitesse de la chambre doit avoir une longueur d'au moins 1,5 m à lasuite du point d'introduction du gaz de fabrication, et de préfé- rence pas inférieure à environ 2,1 m. Des portions à grand vitesse d'une longueur atteignant 4,5 à 6 m ont donné de bons résultats. La longueur de la portion à grande vitesse du four dépend dans une large mesure de la vitesse des gaz dans le four, de façon à obtenir le facteur temps nécessaire à haute température.
La caractéristique du produit est influencée par la durée de contact avec les gaz à haute température dans les chambres 1 et 16. On termine de préférence cette période par un brusque refroidissement du mélange, par exemple par arrosage avec de -l'eau, à une température d'environ 580 0. Buis on peut abaisser la température à 260 0 environ et recueillir le noir de carbone par un moyen quelconque
EMI17.1
ondina ira.
La 'durée de contact la plus avantageuse varie dans une large mesure en fonction de la richesse du gaz combus- tible et du gaz de fabrication et des .proportions entre l'air et le gaz'total. Toutes choses égales d'ailleurs, il est généralement avantageux de diminuer la durée de contact lorsque le gaz d'hydrocarbure est plus riche. La durée de contact précitée désigne le temps qui s'écoule entre l'injection du gaz de fabrication dans la flamme soufflée et le refroidissement des gaz résultants et du carbone en suspension à une température d'environ 1095 0, par rayonne- mont ou par arrosage.
On a obtenu des résultats satisfaisants avec une durée de contact comprise entre environ 0,25 et 2,6 secondes, en réglant convenablement les conditions de
<Desc/Clms Page number 18>
fonctionnaient. Toutefois, la durée de contact peut être maintenue avantageusement les opérations industrielles entre les limites de 0,5 et 1,5 seconde. La durée de contact d'environ 1,1 seconde est qui convient le mieux à 1. production d'un noir de carbone de module élevé, de forte résistance à la traction et de faible résistivité électrique, En général, si la durée de contact est trop longue, on constate un abaissement des propriétés de renforcement du noir de carbone obtenu.
Si cette durée est trop courte, le rendaient est moindre, le module du produit tend à être faible et sa teneur en éléments pouvant être extraits est plus forte, Avec une durée de contact trop courte, il est nécessaire d'opérer à une température très élevée pour obtenir un noir de carbone de propriétés comparables.
La température de la flamme soufflée au point d'introduction du gaz de fabrication doit être suffisamment élevée pour provoquer une décomposition rapide du gaz de fabrication et la quantité de chaleur contenue dans les gaz soufflés doit être telle qu'une fois le gaz de fabrication mélangé . avec eux, la température du Mélange ainsi obtenu soit assez élevée pour mettre en train et achever à peu près complètement la décomposition du gaz de fabrication., En général, la tempérsture de la flamme soufflée au point d'introduction du gaz de fabrication doit être comprise entre environ 1150 et 1480 C.
On a obtenu des résultats particulièrement satisfaisants dans des opérations dans lesquelles la température de la flamme soufflée était com- prise entre 13450 et 1480 C, mesurée par un pyromètre optique focalisé sur un tube-cible en "Carbofrax" disposé juste en amont de la zone d'introduction du gaz de fabrication. Dans des installations industrielles normales on a obtenu de bons résultats avec une température de la flamme soufflée comprise entre 1350 et 1425 0, et en particulier entre 1380 et 1400 C.
<Desc/Clms Page number 19>
Si la température est supérieure ou inférieure aux limites indiquées ci-dessus, on constate que le rendement diminue. Si la température est plus élevée, on a tendance 'à obtenir un noir de carbone de faible module.
La température de la flamme soufflée dépend principalement des proportions relatives de gaz combusti-' ble et d'air, du taux de combustion et du pouvoir calorifi- que du gaz combustible.
En employant un gaz naturel d'un pouvoir calorifique de 9040 cal/m on a obtenu les meilleurs résultats avec'un rapport entre l'air soufflé et le gaz combustible compris entre environ 12,5 1 et 15 : 1. Lorsque ce rapport diminue, on constate que le module du noir de carbone pro- duit diminue et en outre que ses caractéristiques de oonduo- tivité électriques sont fâcheusement influencées. Dans les petites installations, on a constaté qu'il est possible d'opérer aveo un excès d'air faible, sinon nul. Toutefois, dans les installations de dimensions industrielles, il est indispensable que la teneur en oxygène des gaz soufflés soit sensiblement en excès par rapport à celle qui est néces- saire à la combustion complète du gaz combustible.
L'excès d'oxygène parait exercer une action d'activation sur le carbone et en outre réagir plus ou moins avec l'hydro- gène ou le gaz de fabrication pour dégager de la chaleur et empêoher ainsi une baisse de température excessive en aval sous l'effet de réactions endothermiques de oraoking.
Le point d'introduction le plus avantageux du gaz de fabrication varie en fonction de la nature de l'ins- tallation et du volume et de là vitesse dans la tuyère du courant de gaz soufflés. On constate généralement que les propriétés de la flamme soufflée, qui conviennent le mieux à l'introduction du gaz de fabrication sont obtenues à une distance en aval de la zone d'allumage initial égale une ou deux fois environ le diamètre ou la dimension transver-
<Desc/Clms Page number 20>
sale minimum de la chambre de réaction,, Le point d'intro- duction du gaz de fabrication doit se trouver normalement en aval de la zone du taux de combustion maximum de la flamme soufflée, mais en amont du point où.
la combustion est complète, Le point exact où. ces conditions les plus avan- tageuses sont obtenues varie dans une certaine mesure aveo la nature de l'installation, mais dans les conditions normales de fonctionnement, sa distance ne doit pas être supérieure à environ trois diamètres de la chambre de réaction à partir du point d'allumage initial. Lorsque le gaz de fabrication est injecté dans la flamme soufflée en un point en amont de la zone précitée, le rendement a ten- dance à diminuer assez rapidement. Par ailleurs, l'injec-- tion du gaz de fabrication dans la flamme soufflée en un point au-delà de cette zone a tendance à faire diminuer sensiblement le module et la conductivité électrique du produit.
Une grande vitesse dans la tuyère du mélange de gaz combustible est avantageuse pour former la flamme soufflée extrêmement turbulente nécessaire, obtenir un taux de oombustion élevé et un rapide dégagement de chaleur. Ainsi . qu'il a déjà été dit, on n'obtient généralement pas de résultats satisfaisants avec des tuyères d'un diamètre supérieur à environ 6,3 cm. Cependant, il est nécessaire d'injecter un volume suffisant du mélange soufflé dans la chambre de réaction pour obtenir la température et la turbulence nécessaires.
Les chambres de réaction de faible seotion transversale peuvent ne comporter qu'une seule tuyère. Riais dans les installations de dimensions indus- trielles, on doit obtenir le volume plus grand de gaz souf- flés au moyen de plusieurs tuyères plutôt qu'avec une seule tuyère de plus grand diamètre. Les tuyères de faible diamè- tre ont l'avantage d'augmenter la surface de contact des gaz soufflés avec le tube réfractaire chaud et de réaliser
<Desc/Clms Page number 21>
un meilleur mélange des gaz soufflés avec les produis chauds de la combustion'par aspiration.
De plus., les tuyères de faible diamètre ont pour effet de faire acquérir à la flamme une composition et une température plus uniformes dans toute l'étendue de la section transversale de la chambre de réaction*
La vitesse à laquelle le gaz de fabrication est injecté dans la flamme soufflée dépend dans une large mesure de la section transversale de la chambre de réaction. Lorsque la chambre est cylindrique, la vitesse la plus avantageuse du gaz de fabrication parait augmenter d'une manière générale en fonction du carré du diamètre de la chambre.
En marche normale, la vitesse du gaz de fabri-' cation peut être comprise de préférence entre environ 12 et environ 60 m/sec. On a obtenu des résultats particulière- ment satisfaisants avec une vitesse comprise entre environ 30 et 45 m/sec: dans des chambres d'environ 60 om de diamètre,
On a obtenu des résultats satisfaisants avec des' tubes d'entrée du gaz de fabrication d'un diamètre d'environ 1,58 mm à 10 cm. Les plus avantageux ont géné- ralement un diamètre d'environ 25 mm. Ainsi qu'il a déjà, été dit, ces tubes peuvent se terminer en affleurant la paroi intérieure de la chambre de réaction ou se prolonger dans le courant de gaz soufflés de façon à préchauffer le gaz de fabrication avant qu'il' se mélange avec la flamme soufflée..
La vitesse à laquelle le gaz de fabrication est injecté dans la chambre de réaction est importante, car elle exerce une grande influence sur la vitesse à laquelle le gaz de fabrication se mélange avec la flamme soufflée pas as- piration et par turbulence. Les vitesses comprises entre 'les limites indiquées ont aussi pour effet d'éloigner le courant de gaz de fabrication de la paroi de la chambre de
<Desc/Clms Page number 22>
réaction et d'éviter ainsi la fondation de dépôts de coke.
En général, lorsque la dimension transversale de la chambre de réaction augmente, la vitesse doit être plus grande pour réaliser un mélange uniforme du gaz de fabrication avec la flamme On obtient un mélange uniforme plus facilement en donnant un diamètre plus petit aux tubes d'introduction du gaz de fabrication.. L'augmentation de la section du tube d'introduction du gaz de fabrication a tendance à augmenter la grosseur moyenne des particules de carbone dans une certaine mesure.
On a aussi constaté que la nature du produit varie dans une certaine mesure avec les proportions relatives de l'air soufflé et du gaz d'hydrocarbure total, c'est-à-dire du gaz combustible + le gaz de fabrication. On a obtenu de bons résultats en maintenant ce rapport entre les limites d'environ 4 à 5,7. En général, on a obtenu les meilleurs résultats dans la production d'un noir de car- bone de renforcement total et de module total au moyen du gaz naturel avec-une arrivée d'air comprise entre 44 et 58% de la quantité nécessaire à la combustion complète du gaz combustible et du gaz de fabrication.
En général, toutes choses égales d'ailleurs, une augmentation du volume de gaz de fabrication a tendance à augmenter le rendement, la grosseur des particules et la teneur en éléments pouvan t être extraits du noir de carbone et à diminuer les propriétés de résistance à la traction et de conductivité électrique du produit. Lorsque le rapport entre l'air et le gaz total est supérieur ou inférieur aux limites les plus avantageuses, on observe
EMI22.1
un1- ±1;.inntion des C:"lr2 ctaris tiqua s du module du produit.
Le 1..:oc%<ié perfectionne de l'invention "t 1T.:vanta de ; ¯ .. e d'utiliser un gaz d'hydrocarbure rela tivc..<en t p.u cj;*:=uc, *1 que le gaz naturel, consistant principa-
<Desc/Clms Page number 23>
lèvent en méthane, comme principale source de chaleur, et de faire varier la composition du gaz de fabrication indé- pendamment de celle du gaz combustible. En raison du fac- teur économique, le gaz naturel consistant principalement en méthane sert de préférence de gaz de fabrication. Ce- pendant, il est parfois avantageux d'enrichir le gaz de fabrication avec un hydrocarbure à teneur en carbone plus forte, tel que le propane, ou l'essence naturelle, l'acé- tylène, le pétrole ou les huiles de créosote pour augmen- ter le rendement.
Cet enrichissement est particulièrement avantageux lorsqu'on désire obtenir des noirs de carbone de fort module.
En général, l'augmentation du pouvoir calorifique du gaz de fabrication par l'addition de ces autres hydrocar- bures a pour effet d'augmenter,le module, la grosseur des particules et le rendement en noir de carbone'. On a cons- taté que pour préparer des noirs de carbone de fort module, un pouvoir calorifique d'au moins 10 200 oal/m3 et de pré- férence compris entre 13 350 et 14 140 cal/m3 est avanta- geux pour obtenir les meilleures propriétés de renforcement et le meilleur rendement. On a constaté qu'un enrichissement dépassant cette limite a tendance à diminuer la résistance à la traction et à abaisser les propr@étés de renforcement du noir de carbone.
Les hydrocarbures qui se décomposent sans " absorption de chaleur, en particulier les aromatiques et les oléfines, sont particulièrement intéressants en addition avec le gaz de fabrication du procédé de l'invention, car ils font acquérir au produit des caractéristiques de fort module et augmentent le rendement.
De même, il est parfois avantageux d'ajouter au gaz naturel qui sert de gaz de .fabrication dans le procédé de l'invention un hydrocarbure qui se décompose avec dégagement de chaleur en proportion
<Desc/Clms Page number 24>
ch@@@@e de façon à compenser au moins en partie la baisse de température provoquée normalement par les réactions endothermiques de cracking pendant le passage du courant de gaz dans la chambre de réaction par le cracking exother- mique de ces hydrocarbures ajoutés.
Les exemples suivants indiquent de quelle manière l'invention peut s'appliquer dans la pratique dans des installations de diverses dimensions et proportions. Dans chaque cas, le noir de carbone obtenu a été mélangé avec du caoutchouc naturel, conformément à la composition normalisée suivante pour bandes de roulement de pneumatiques*
EMI24.1
<tb> Parties
<tb>
<tb> Feuille <SEP> fumée <SEP> de <SEP> caoutchouc <SEP> 100
<tb> Noir <SEP> de <SEP> carbone <SEP> 52
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> zinc <SEP> 3
<tb> Acide <SEP> stéarique <SEP> 4
<tb> Goudron <SEP> de <SEP> pin <SEP> 2
<tb> Soufre <SEP> 2,7
<tb> Produit <SEP> de <SEP> la <SEP> réaction <SEP> de <SEP> cétone-amine <SEP> 1,5
<tb> Mercaptobenzothiazol <SEP> 0,9
<tb>
puis on a vulcanisé la composition de caoutchouc ainsi obtenue et on l'a essayée par le procédé ordinaire.
Les conditions des opérations et les caractéristiques des noirs de carbone respectifs-produits sont données dans le tableau ci-dessous.
<Desc/Clms Page number 25>
EMI25.1
<tb>
Nos <SEP> des <SEP> exemples <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6
<tb>
EMI25.2
Diamètre de la ch@ûbre de réaction ,0m 60 35 35 60 60 -
EMI25.3
<tb> Distance <SEP> du <SEP> point <SEP> d'introduction <SEP> du
<tb>
<tb> gaz <SEP> de <SEP> fabrication, <SEP> am <SEP> 63 <SEP> 68 <SEP> 60 <SEP> 87 <SEP> 87 <SEP> 83
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> du <SEP> tube <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> fabrica-
<tb>
EMI25.4
tion, on 3,5 2,5 2,5 2,5 25 25
EMI25.5
<tb> pouvoir <SEP> calorifioue <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> fabri-
<tb>
<tb>
<tb> cation,
<SEP> cal/m3 <SEP> 9040 <SEP> 9040 <SEP> 8840 <SEP> 9700 <SEP> 9700 <SEP> 10680
<tb>
<tb>
<tb> Conditions <SEP> des <SEP> opérations
<tb>
<tb>
<tb> Débit <SEP> d'air <SEP> m3/h <SEP> 2830 <SEP> 1047 <SEP> 934 <SEP> 3400 <SEP> 3115 <SEP> 4800
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rapport <SEP> air/ <SEP> gaz <SEP> combustible <SEP> 15 <SEP> 14,5 <SEP> 12 <SEP> 15 <SEP> 16, <SEP> 5 <SEP> 14,9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rapport <SEP> air/gaz <SEP> total <SEP> 5,20 <SEP> 5,4 <SEP> 4,82 <SEP> 5,4 <SEP> 5,5 <SEP> 4,9
<tb>
<tb>
<tb> Durée <SEP> de <SEP> contact <SEP> approx. <SEP> sec. <SEP> 1,1 <SEP> 1 <SEP> (0,3- <SEP> 1,1 <SEP> 1,1 <SEP> 0,9
<tb>
<tb>
<tb> (0,5
<tb>
EMI25.6
Température de soufflage approx. 00 1425 1380 1595 1570 1330 1425 ï?=n,%emen t, v ixs du gaz total 50 27 38 55 46 91 B-'<-cuit e::t-'-,(Jt.ï:
0,18 0,02 0,25 0,10 0,05 0,14 ri'f-iet.,3 du caoutchouc naturel Durée ,';:. vlc4 xis. tion, min. -, 17,5 15 15 15 15 15 Module à 3CO" d'allonge kgf cm2 93,55 87,15 95 55 81,55 84,3586,1C Résistance à la traction kg/Cm2 287 254 30l 294 284 287 ,.1. er:en b 5; 615 630 627 650 640 655 Dureté Shore 64 63 65 64 62 63 Log R, résistivité électrique 2,1 23 3,1 3,1 25 z6 la chambre de réaction de l'installation de l'exemple 6 était rectangulaire, de dimensions 43 x 95 cm.
Les exemples supplémentaires 7 et 8 font apparaître l'effet produit par l'enrichissaient du gaz de fabrication, par exemple par du butane, les conditions des opérations et les caractéristiques des produits étant indiquées sur le tableau ci-dessous. Dans l'exemple 7, le gaz de fabrication consiste en du gaz naturel non enrichi. Dans l'exemple 8, on a utilisé comme Gaz de fabrication le même gaz naturel enrichi de butane.
EMI25.7
<tb>
Nos <SEP> des <SEP> exemples <SEP> 7 <SEP> 8
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> do <SEP> la <SEP> chambre <SEP> de <SEP> réaction, <SEP> cm <SEP> 23 <SEP> . <SEP> 23
<tb> Distance <SEP> du <SEP> point <SEP> d'introd. <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> fabrication, <SEP> cm <SEP> 30 <SEP> ' <SEP> ' <SEP> 30
<tb>
EMI25.8
.s.rta.te du tube de Gaz de fabrication, cm 0.95 2,5
EMI25.9
<tb> pouvoir <SEP> calorifique <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> fabrication, <SEP> calm3 <SEP> 8840 <SEP> 10325
<tb>
<tb>
<tb> Conditions <SEP> des <SEP> opérations
<tb>
<tb>
<tb> Débit <SEP> d'air <SEP> m3/h <SEP> 227 <SEP> 226
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rapport <SEP> air/gaz <SEP> combustible <SEP> 12,4 <SEP> 14,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rapport <SEP> air/gaz <SEP> total <SEP> 4,59 <SEP> 4,7
<tb>
<tb>
<tb> Durée <SEP> de, <SEP> contact <SEP> approx. <SEP> sec.
<SEP> 0,69 <SEP> 0,70
<tb>
<tb>
<tb> Température <SEP> de <SEP> soufflage <SEP> pprox. <SEP> C. <SEP> 1325 <SEP> 1250
<tb>
<tb> Produit
<tb>
EMI25.10
i*:or.etr.ct, ;t 0,23 0,09 P:roprié.tJ3 au c8c u b choue JI,diU:Ci!1Durée de vc a i. -in , 1.-:11'1. , 15 15 Nodule a. 1S"4'.o i1' llc;j,'(I'\\..'rJt, kg/ca2 84,35 115 résistaksec . 1 t..'H:Jo.iG.\, kgjcm2 . 308 .80 Allo1gemel! t ;b ô15 595 Du.t'f:té So-.'e 65 66 Log 1, .('é$1$Uvit' çi?cfM# 2,o 2,8
<Desc/Clms Page number 26>
L proportion d'air dans le mélange de gaz soufflé est un peu plus forte dans l'exemple 8, mais les autres conditions, quoique non identiques, sont très analogues.. Le rendement de l'essai de l'exemple 8 est de 62 g par m3 de gaz total.
Celui de l'exemple 7 est un peu moindre; mais on remarquera que la caractéristique du module du produit de l'exemple 8 est sensiblement plus élevée que celle du pro-
EMI26.1
duit de l'exeIilple 7 t-
Au cours des essais des exemples 2 et 3, les tubes d'introduction du gaz de fabrication pénètrent dans la cham- bre de réaction sur des longueurs respectives de 5 et 2,5 cm.
Au cours de tous les autres essais, l'extrémité intérieure des tubes du gaz de fabrication affleure les parois de la chambre de réaction. De même, dans chaque cas les tubes du gaz de fabrication sont sensiblement perpendiculaires à l'axe longitudinal de la chambre de réaction.
Le module, la résistance à la traction, l'allongement et la dureté Shore des tableaux qui précèdent ont été déterminés par les procédés ordinaires. Les valeurs de log R -de la résistivité électrique,qui est le logarithme de la résistivité en ohms-centimètre, sont obtenues par l'équation
EMI26.2
log R = log ### dans laquelle r = la résistivité mesurée en ohms, w = la largeur de la plaque dressai en centimètres, 5 = l'épaisseur moyenne de la plaque en centimètres et 1 = la distance en centimètres entre les points de contact électrique aveo la plaque d'essai.
Les durées de conta, et des exemples 1, 2.. 4, 5, 7 et 8 des tableaux qui précèdent représentent le temps approximatif en secondes qui s'écoule entre l'injection du gaz de fabri- cation dans la flamme soufflée et le refroidissement du mé- lange chauffé par arrosage avec de l'eau à une température inférieure à la température active de la réaction ou par
<Desc/Clms Page number 27>
abaissement de la température à 1095 C environ par refroi- dissement par rayonnement. L'installation de l'essai 3 comporte une chemise d'eau de refroidissement du mélange chauffé sortant de la chambre de réaction.
La durée de contact calculée dans la chambre de réaction est de 0,33 seconde et le temps calculé jusqu'à un point situé à peu près à mi-distanoe dans l'élément de refroidissement, où. la tem- pérature est supposée égale à environ 1095 C, est d'environ 0,5 seconde.
La section totale des orifices du brûleur de l'ins- tallation du type représenté doit être choisie de façon à faire arriver un volume convenable du mélange combustible dans la chambre de réaction à la vitesse qui est nécessaire pour former une flamme soufflée extrêmement turbulente,, Cette vitesse doit être choisie de façon à empêcher la flamme de revenir en arrière dans les conduites d'alimentation, en particulier lorsqu'on fait arriver de l'air et du gaz mélan"' gés au préalable. On a obtenu de bons résultats avec des têtes de brûleur faisant arriver le mélange combustible dans la chambre de réaction à une vitesse dans la tuyère à' gaz comprise entre 10,5 et 41 m par seconde, basée sur le volume mesuré à 16 C et sous une, press ion absolue de 760 mm Hg.
Les brûleurs débitant à une vitesse dans la tuyère d 1 environ 26 m/seo sont particulièrement efficaces.
On a obtenu des résultats satisfaisants dans des installations dont la' section réduite totale des orifices du brûleur est comprise entre 3% et 28% de la section libre , de la chambre de réaction. Dans les grandes installations.
, cette section est généralement comprise entre 7 et 25 %. Une section d'environ 12,5 % est particulièrement avantageuse dans les brûleurs à tuyères de mélange et d'environ 7% à 10% dans les brûleurs à mélange préalable.
Lorsqu'on fait arriver du gaz de fabrication exothermique dans les installations du type décrit ci-dossus,
<Desc/Clms Page number 28>
l@ @ @leur dégegée par l@s gaz de la flamme soufflée est absorbée par la réaction 'dedécomposition du gaz de fabri- cation et il en résulte souvent une baisse de température nuisible du mélange gazeux pendant son passage dans la chambre de réaction. On peut réduire au minimum ce gradient nuisible de température dans la chambre de réaction au moyen d'un gaz soufflé oxydant, ainsi qu'il a été décrit.
Un autre moyen d'éviter des gradients de température nuisibles dans la chambre de réaction dans les opérations du type décrit consiste, suivant l'invention, à mélanger un hydrocarbure endothermique ou un mélange d'hydrocarbures en do thermiques avec un gaz de fabrication exothermique, L'expression "hydrocarbure endothermiqu" désigne évidemment un hydrocarbure qui se décompose avec dégagement de chaleur, par opposition avec les hydrocarbures exothermiques qui absorbent de la chaleur par leur réaction de décomposition.
Suivant cette caractéristique de l'invention, on restitue une partie de la chaleur absorbée par la décom- position endothermique du gaz naturel, par exemple, au mé- lange gazeux par la décomposition exothermique de l'hydro- carbure d'addition.
Les hydrocarbures endothermiques qui conviennent à cet effet sont -les hydrocarbures non saturés, de préférence les aromatiques,tels que par exemple le benzène: le toluène, le xylène, etc, D'autres hydrocarbures endother. miques qui. peuvent être choisis avantageusment sont les résidus lourds aromatiques de pétrole, ainsi que les hydro- carbures oléfiniques à bas points d'ébullition, par exemple l'éthylène et le propylène. On peut aussi ohoisir avantageu- semant des hydrocarbures fortement insaturés, tels que l'a- cétylène.
<Desc/Clms Page number 29>
Les proportions les plus avantageuses des hydrocar- bures endothermiques à mélanger avec le gaz de fabrication exothermique sont variables et dépendent des condition, de fonctionnement qu'on désire et de la quantité de chaleur dégagée par la décomposition de l'hydrocarbure endother-mique choisi. Par exemple, lorsque l'hydrocarbure endothermique oonsiste en acétylène, des proportions comprises entre environ 5% et environ 25% en volume, basé sur le volume total du gaz de fabrication, sont particulièrement avantageuses.
S'il s'agit d'un hydrocarbure endothermique normalement li- quide, des proportions comprises entre environ 0,034 et 0,135 litre par m3 de gaz naturel donnent de bons résultats..
Si l'on choisit des produits qu'on trouve facilement dans le commerce,, il y a lieu de tenir compte de la proportion d'hydrocarbure endotheimique qu'ils contiennent pour déter- miner la proportion de ces produits à mélanger avec le gaz de fabrication exothermique. L'addition de ces hydrocarbures endothermiques est particulièrement avantageuse en oombi- naison avec une flamme soufflée oxydante. Mais on peut aussi les ajouter en combinaison avec une flamme réductrice ou sensiblement neutre.
L'efficacité de cette caractéristique de l'invention en ce qui concerne la réduction du gradient de température dans la chambre de réaction ressort d'essais bomparatifs effectués dans une installation de dimensions semi-indus- trielles sensiblement identique à celle qui a été décrite en premier lieu. Cette installation consiste en une chambre de réaction cylindrique, de forme allongée et calorifugée, de 18 cm de diamètre intérieur et de 5,2 m de longueur totale.
Un bloc de brûleur d'environ 30 cm d'épaisseur est disposé à une extrémité de la chambre de réaction, dont l'autre extrémité débouche dans une chambre de refroidissements également de 18 CI;} de diamètre et d'environ 3 m de longueur.
<Desc/Clms Page number 30>
Cette chambre de refroidissement est entourée par une chemise d'eau absorbant la chaleur de la suspension gazeuse qui y passe et l'extrémité d'aval de la chambre de refroidissement aboutit dans un filtre du type à sac servant à séparer le noir de carbone en suspension des gaz effluents.
La chambre de réaction comporte quatre tubes d'injec- tion du gaz de fabrication, chacun de 6,35 mm de diamètre intérieur, répartis à 90 , à une distance d'environ 38 cm de l'extrémité -du côté du brûleur de la chambre et désignés ensemble par M-1. 'Une seconde série semblable ,de tubes d'injection du gaz de fabrication, désignés ensemble par M-2, est disposée plus loin en aval à une distance de 60 cm.
Pour faire fonctionner l'installation, on insuffle -un mélange combustible d'air et de gaz par l'orifice du brûleur et on le fait brûler dans la chambre, le débit des éléments de gaz naturel des gaz soufflés étant de 22 m3 par heure. Le gaz de fabrication est injecté par l'une ou l'autre des séries de tubes d'injection, ainsi qu'on le verra plus loin, avec un débit d'environ 22 m3 par heure.
Avant de commencer les essais, on chauffe la chambre de réaction à la température de fonctionnement et pendant les essais on relève la température aux points T-1, T-2, T-3, T-4, T-5 et T-6 situés respectivement à des distances de 83, 143, 218, 278, 368 et 458 cm de l'extrémité du côté du brû- leur de la chambre. Le gaz de fabrication de l'essai n 1 consis'te uniquement en gaz naturel, Celui de l'essai n 2 consiste en gaz naturel contenant 8,6 % en volume d'acétylène, Le gaz de fabrication des essais Nos 1 et 2 est injecté par les tubes M-1, et celui des essais Nos 3 et 4 est injecté par les tubes M-2. Le gaz de fabrication de l'essai n 3 consiste uniquement en gaz naturel identique à celui des essais précédents, et celui de l'essai n 4 est identique à celui de l'essai n 2 et contient 8,6% en volume d'acé- tylène.
Au cours de chaque essai, le volume du gaz de
<Desc/Clms Page number 31>
fabrication est sensiblement identique à celui du gaz combustible, mesuré dans des conditions comparables.
Les autres conditions de fonctionnement,, les gradients de température et les rendements en noir de carbone en kg par heure obtenus au cours de ces essais comparatifs sont indiqués sur le tableau ci-dessous:
Tableau 1
EMI31.1
<tb> Essai <SEP> n <SEP> 1 <SEP> Essai <SEP> n 2 <SEP> Essai <SEP> n 3 <SEP> Essai <SEP> n 4
<tb>
<tb>
<tb> Air <SEP> soufflé <SEP> : <SEP> Gaz <SEP> combustible <SEP> 10,0 <SEP> 10,0 <SEP> 10,0 <SEP> 9,9
<tb> Air <SEP> total <SEP> :
<SEP> Gaz <SEP> total <SEP> 5,0 <SEP> 5,0 <SEP> 5,0 <SEP> 4,9
<tb>
<tb> Température <SEP> C
<tb> T-1 <SEP> . <SEP> 1335 <SEP> 1343 <SEP> 1504 <SEP> 1518
<tb> T-2 <SEP> 1318 <SEP> 1343 <SEP> 1238 <SEP> 1290
<tb> T-3 <SEP> 1288 <SEP> 1300 <SEP> 1245 <SEP> 1277
<tb> T-4 <SEP> 1263 <SEP> 1270 <SEP> 1220 <SEP> 1232
<tb> T-5 <SEP> 1229 <SEP> 1229 <SEP> 1152 <SEP> 1204
<tb> T-6 <SEP> 1185 <SEP> 1185 <SEP> 1120 <SEP> 1150
<tb>
<tb> Durée <SEP> de <SEP> contact <SEP> en <SEP> secondes <SEP> 0,30 <SEP> 0,30 <SEP> 0,27 <SEP> 0,27
<tb> Rendement, <SEP> kg/h <SEP> 2,360 <SEP> 3 <SEP> 2,632 <SEP> 4,232
<tb>
Il ressort du tableau ci-dessus qu'on diminue Notablement le gradient de température dans la chambre de réaction en ajoutant au gaz de fabrication une proportion d'acétylène aussi faible que 8,6%.
Ce résultat ressort en particulier de l'essai n 4, et l'amélioration est obtenue même lorsque la proportion d'air dans le mélange de gaz combustible soufflé est légèrement inférieure à celle qui est théoriquement nécessaire à la combustion complète de l'élément de gaz naturel du mélange.
<Desc / Clms Page number 1>
The present invention relates to carbon black and more particularly to an improved process for the manufacture of a carbon black having novel characteristics combined with the finest particles as advantageous as possible and a high degree of purity. The invention also relates to a new installation which is particularly suitable for the application of this method.
Due to the remarkable combination of properties of the carbon black obtained by the process of this invention, it is particularly valuable as a mixing agent in rubber compositions and as a pigment in the -
<Desc / Clms Page number 2>
manufacture of ink or the like.
In general, the process of the invention consists in violently injecting into a blown flame in the state of strong turbulence in a limited enclosure one or more streams of natural gas or other hydrocarbons, hereinafter referred to for abbreviation "hydrocarbon or process gas "so as to achieve instantaneous and complete mixing as possible of the process gas with the gases of the blown flame. Then the mixture of the gases of the flame and of the manufacturing gas is passed through a chamber of elongated shape, confined and heat-insulated, at high temperature, at high speed and under strong turbulence.
The manufacturing gas thus decomposes into carbon black under the effect of the heat directly absorbed from the gases of the flame, and the carbon black thus formed is carried into and out of the decomposition zone by the current. gas at high speed, is cooled to a suitable temperature to collect it, and collected in any routine manner.
The blown flame can be formed by the combustion of a mixture of fluid fuel called “fuel gas”, for example natural gas and a gas containing oxygen, for example air.
According to a particularly advantageous feature of the invention, the proportion of air to oxygen should be substantially in excess of that which is necessary for the complete combustion of the fuel gas, so as to form a blown flame. oxidizing.
However, instead of an oxidizing blown flame, a neutral or reducing blown flame can be formed, reducing the proportion of air in the combustible mixture to a value equal to or less than that required for complete combustion of the gas. combustible. It has been found that the nature of the flame exerts a notable influence on the characteristics of the carbon black produced.
<Desc / Clms Page number 3>
Certain special characteristics and combinations of various characteristics which a carbon black for the formation of rubber mixtures must possess depend to a large extent on the type of rubber compound to be made and the properties desired. to acquire @@ objectsn @@ rubber that it is used to manufacture.
In fact, if a type of carbon black is chosen, for example impact carbon black of the quality for rubber, it is observed that the rubber composition c thus obtained is completely reinforced, that is to say Said that the vulcanized rubber composition has high resistance to trauma, high modulus of rigidity and excellent wear resistance properties. Consequently, this type of carbon black is referred to as "total reinforcement black". If another type of carbon black is chosen, by carrying out the mixing under equivalent conditions, it is found that the tensile and wear resistance of the vulcanized rubber composition thus obtained is lower. These carbon blacks are generally referred to as "semi-reinforcing blacks" or sometimes "soft blacks".
Likewise, certain carbon blacks cause the rubber compositions to acquire a relatively low modulus.
Others form rubber compositions which heat up very strongly by bending, others make them acquire strong rebound properties, still others a strong or relatively weak electrical resistivity. The characteristics of carbon blacks are so designated based on the characteristics of the normal rubber composition with which they are mixed, i.e., high or low modulus, high or low electrical resistivity, high or low rebound, etc.
<Desc / Clms Page number 4>
The process of the invention is particularly suitable for the preparation of a carbon black characterized by the most advantageous fineness of its particles, a high degree of purity, a most advantageous coloring intensity, a non-acidic reaction, the ease with which it can be economically manipulated in the formation of rubber mixtures, ink, etc. and its ability to impart a remarkable combination of properties to the rubber compounds in which it is incorporated.
As a forming agent for rubber mixtures, the carbon black of the invention has a novel combination of characteristics, namely that it is easy to process, does not interfere with vulcanization and causes rubber compositions with which to acquire. blended is total reinforcement, superior flexural strength, low hysteresis, good electrical conductivity, good thermal stability and good aging properties. The process of the invention allows the various individual characteristics of the carbon black to be varied to some extent by varying the conditions under which the operation is carried out, as will be seen in detail below.
In general, the installation of the invention consists of a reaction chamber of elongated shape, containing no obstacle and heat-insulated, comprising at one end a device for burning the gaseous combustible mixture under natural conditions. projecting the resulting flame at high speed into the reaction chamber and continuing to pass the products of combustion into this chamber. Orifices are made near the end of the chamber where the burner is located so as to inject into the chamber, and into the current of hot gases.
<Desc / Clms Page number 5>
which passes therein, one or more streams of manufacturing hydrocarbon gas.
The dimensions of the reaction chamber can be varied within wide limits according to the capacity desired and to meet various operating conditions. The relative proportions of the chamber and the location of the gas injection ports
EMI5.1
fCLbrica tion are also susceptible of modification, as will be seen later.
Satisfactory operating results were obtained.
EMI5.2
sants on a semi-industrial scale, for example, with an installation consisting of a cylindrical chamber of
EMI5.3
elongated and heat-insulated, with an interior diameter of 18 cm and a length of 40 em. One blows at the extremi.té- 1 2uont of lu 0:] [;.: 1 ;; bre a heterogeneous mixture consisting of 10 parts of air and 1 part of natural gas by volume with a flow rate of 250 m3 per hour.
Natural gas is injected, consisting mainly of methane and constituting the manufacturing gas.
EMI5.4
brand, in the chamber with a flow rate of 28 # 3 m3 per hour through four radially directed 6.35 mm orifices distributed 90 around the chamber and located at a distance of 34 cm from the inlet orifice combustible gas. The manufacturing gas thus injected into the hot gases of the flame mixes
EMI5.5
almost always with them and thus heats up to high temperature. During this operation, the temperature of the cll1.lli: ber at a point 60 cm downstream from the point of injection of the manufacturing gas is 1260 C and that of the gases leaving the chamber is 1408 vs.
The temperature of the gases leaving the chamber is lowered to a value of approximately
EMI5.6
76010 by f4: passing them through a cooling seat, 6c.ent in water, then they are cooled to a temperature below 315 C and they are collected in a filter of the type bag.
<Desc / Clms Page number 6>
By making use of the plant described above, the characteristics of the carbon black prepared by the process of the invention a) can be varied to some extent by varying the relative proportions of carbon black. air and gas in the blown mixture, b) by varying the relative proportions of manufacturing gas and blown gases, o) by varying the temperature and temperature gradient in the chamber to a certain extent, d) by varying varying the duration of contact of the carbon black particles with the gases at the high reaction temperature, e) by varying the amount of charge treated in a furnace of given dimensions, or f) by introducing a supplement air, oxygen, steam or other oxidizing agent.
The invention will be described in detail hereinafter in its application with an oxidizing blast flame, according to which the proportion of air in the blown gases should be greater than that necessary for complete combustion, generally of combustion. at least about 10% and preferably 25% in excess of the proportion required for complete combustion. However, the proportion of air must be much lower than that which is necessary for the combustion of the "totality of the hydrocarbon gases, that is to say of those which are contained in the blown gases + 1 'Hydrocarbon injected into the blown flame; The blown fuel mixture can be formed in advance or take place in the burner nozzle.
The extremely turbulent active blown flame which is most suitable for the process of the invention can be obtained by burning the blown gas mixture under conditions of very high velocity of a blown flame, i.e. at a speed of outlet of the nozzle greater than about 10.5 m per second and preferably between 24 and 25.5 m / sec. An outlet speed of the nozzle between
<Desc / Clms Page number 7>
approximately 16.5 and 41 m / sec, ie higher than the normal operating speed of an injection burner, gave particularly satisfactory results. This nozzle exit velocity can vary to some extent with the section of the nozzle, but it must be sufficient to force an extremely turbulent blown flame.
Preferably, the temperature of the blown flame at the point of introduction of the manufacturing gas should not exceed about 1425 C, although it may be higher and reach for example about 1595 C. The temperature at the point of introduction of the gas. manufacturing temperature is not necessarily the maximum temperature reached during the operation, since combustion continues beyond this point, depending on the particular conditions in which the operation is carried out. In plants of industrial dimensions, the maximum temperature zone is usually found a little further downstream.
It is not possible at the present time to indicate with certainty the precise nature and composition of the flame blown into the zone of introduction of the manufacturing gas, or the special effect produced by these conditions on the gas. nature of the carbon black produced. It can be said with certainty, however, that in the zone of introduction of the manufacturing gas, the flame is extremely turbulent and in the ionized state. The flame gases are likely to contain considerable amounts of partially oxidized hydrocarbons in this area, such as aldehydes and the like.
Due to the high temperature and the unstable state of the flame gases, it is extremely difficult, if not impossible, to perform an accurate analysis, but a sharp odor similar to the glue of aldehydes was observed.
The fact that the combustion of the combustible gas continues in the zone of introduction of the manufacturing gas is evidenced by the observation that it was found that even if one
<Desc / Clms Page number 8>
does not introduce manufacturing gas, the maximum temperature of the gases in the chamber is reached at a point located downstream in this chamber, The devices which make it possible to achieve the desired results are described below and there is no It is not essential to know the theory precisely to arrive at these results.
In order to operate the installation, the blown flame is injected, as has already been said, into a chamber of elongated shape, containing no obstacle and preferably insulated to avoid losses of corisiderate heat. damage by radiation. The charge 'introduced into the chamber is proportioned with respect to its cross section so as to establish a strong turbulence over its entire length' The manufacturing gas is injected separately into the blown flame in a zone where combustion has progressed so as to form an active flame, but before combustion is complete, as indicated by the further rise in temperature.
The manufacturing gas can be introduced as one or more high speed jets. It must be introduced in such a way that it does not come up against the limiting walls! the chamber before having mixed appreciably with the gases of the flower, otherwise the 'carbon would be deposited quickly' at the point of impact, reducing the most advantageous yield of carbon black having the desired characteristics,
The manufacturing gas is preferably introduced through heat-conducting refractory pipes, passing through the heated walls of the chamber,
so as to preheat it to a certain extent before it comes into contact with the blown gas and at a speed sufficient to draw the gas from the flame and so as to project the jet of manufacturing gas and the aspirated gases flame in the blown flame and thus prevent them from coming into contact with the walls which limit the reaction chamber.
<Desc / Clms Page number 9>
The manufacturing gas should mix quickly and evenly with the flame gases. This is preferably achieved by injecting the manufacturing gases into the flame gas stream at a sufficiently large angle to the direction of the flame gas stream, for example at least about 30. good results by injecting the manufacturing gases at substantially a right angle into the flame gas stream, but it is not essential to do so to obtain good results with the process of the invention, provided that the mixture with the gases from the flame effeoe quickly and evenly.
Before injecting the manufacturing gas into the blown flame, it may be advantageous to preheat it to a temperature at which it undergoes the onset of cracking, but not to a temperature close to that at which deposits of coke or carbon form. form.
This preheating can be carried out by the heat absorbed in the refraotaires heat-conducting pipes through which the manufacturing gas arrives in the furnace chamber, For example, the manufacturing gas inlet pipes can be made of a refractory material such as than 'silicon carbide' and arranged so as to pass through the walls of the furnace by orifices leaving a sufficient gap to allow adjustment of the position of the outlet end of the pipes relative to the inner wall of the reaction chamber.
It is thus possible to make the outlet end of the production gas inlet pipe or pipes flush with the interior surface of the wall of the chamber or to extend them beyond the wall in the blown flame in order to perform preheating. additional or partial pyrolysis of the manufacturing gas.
The gas mixture passes through the reaction chamber without hindrance and is kept in motion at high speed and in the state of strong turbulence, at a fairly high temperature.
<Desc / Clms Page number 10>
to vent the manufacturing gas for a time sufficient to cause the formation of suspended carbon particles in the gas mixture. The products of the reaction are kept at high temperature for a time sufficient to cause almost complete cracking of the hydrocarbon they contain, then they are cooled and the carbon separated. Operating conditions, such as temperature and reaction time, depend on each other to a considerable extent.
The other conditions can also be varied to some extent between the limits given below in detail,
The invention is described in. detail below with the accompanying drawing which shows an installation of a type particularly suitable for the application of the method of the invention and on which;
fig. 1 is a longitudinal section of the Installation, - fig. 2 is a cross section along the. line 2-2 of fig. 1, fig 3 is a cross section 'on a larger scale of the burner bloo, and fig. 4 is a section through the assembly of a burner of another type. -
The installation comprises a retort or reaction chamber 1, cylindrical and of elongated shape, furnished with a lining of refractory bricks 2. The lining of refractory bricks is surrounded by two respective outer layers 3 and 4 of a heat-insulating material. , both surrounded by a cylindrical casing 5 made of sheet steel.
The front end of the cylindrical retort comprises a bloo of burners 6 made of a heat-resistant ceramic material and pierced with several flared blowing orifices 7, shown in detail on fig 3. The dimensions of the bloo of the burner are chosen so to allow it to slide
<Desc / Clms Page number 11>
in the anterior end of the cylindrical chamber 1, in which it is fixed in a suitable manner.
A combustible mixture of combustible gas and pressurized air is passed through a line 8 into a chamber 9, from where it is blown into chamber 1 through the burner head 10 and through the blowing ports 7. burner bloo 6.
The head 10 of the burner consists of several tubes 11 supported by plates 12 and 13 which they pass through, so that the ends of the tube 11 closest to the burner block enter slightly into the blowing openings 7. The plate 12 is suitably attached to the end wall of chamber 1.
The plaque
13 is fixed to the casing of the chamber 9 of larger diameter so as to form a hermetic seal,
In order to operate the installation, a combustible mixture of air and gas is delivered under high pressure into the pipe 8 and into the chamber 9 and is discharged through the blowing openings 7 into the chamber 1 in which the blown gases ignite and burn, forming a blown flame in a state of very strong turbulence which penetrates in the form of an active flame in the chamber 1 up to a point, located beyond the introduction tubes 14a manufacturing gas.
The tubes 14a and 14b for introducing the manufacturing gas communicate at their outer ends with suitable distributors such as annular pipes 15a and 15b and pass through the walls, 2, 3 and 4 to end in the chamber 1. As well as has already been said, the inner end of the tubes for introducing the manufacturing gas can be flush with the inner wall of the chamber or extend over a greater or lesser distance in the blown flame. Preferably, the tubes for introducing the manufacturing gas are arranged so as to be able to re-
<Desc / Clms Page number 12>
adjust the position of their inner ends with respect to the inner wall and the chamber 1.
Preferably, the tubes for introducing the manufacturing gas form a fairly large angle with the longitudinal axis of the chamber 1. These tubes are shown in the figure in a position perpendicular to the direction of the stream of hot gas passing through. the oven, but the value of this angle can be significantly varied.
The installation shown comprises two sets of six. tubes for introducing the manufacturing gas, each shown in detail in FIG. 2. However, depending on the size and capacity of the installation, a larger or smaller number of manufacturing gas introduction tubes can be fitted. Likewise, the tubes for introducing the manufacturing gas of the installation shown are arranged so as to make each of them correspond to a diametrically opposed tube. It has been observed that by this arrangement a faster and more intimate mixing of the manufacturing gas with the blown flame is achieved and that the stream of manufacturing gas is less likely to come into contact with the walls of the chamber before being sufficiently diluted to prevent carbon deposits to form on the wall.
As has already been said, the installation shown comprises two series of the tube for introducing the manufacturing gas 14a and 14b, one of which is located a little further downstream than the other, so as to allow to adjust the position of the point of introduction of the manufacturer's gas. cation compared to the blown cab. Additional series of tubes for introducing the manufacturing gas can be placed in the installation, so as to further facilitate their adjustment. In general, only one series is used at a time and the choice of which series to use will generally depend on the length of. the flame blown under the special conditions in which it is operated.
<Desc / Clms Page number 13>
The mixture thus obtained of the gases of the blown flame, of the manufacturing gas and of its decomposition products continues to circulate in chamber 1 and leaves it to arrive in a cylindrical chamber 16, the cross section of which is slightly greater than that of the bedroom
1, as can be seen, The walls 17 of the chamber 16 are preferably made of refractory bricks or similar material resistant to high temperatures and are preferably not insulated, if not slightly, so as to allow a fairly large amount of heat to be transmitted in the atmosphere and thus to cause a progressive cooling of the decomposition products which pass there.
If desired, the chamber 16 can be surrounded by a water or air path to achieve artificial cooling. But.' if the chamber 16 is long enough, a suitable cooling is naturally obtained. The mixture of gas and suspended carbon particles exiting from the chamber 16 can arrive in an ordinary cooling element by spraying, with water and in a device in which it is collected.
When it comes to an industrial operation in which several reaction chambers are operating, it has been found that it is advantageous to have a rectangular mixing chamber of large dimensions in which several retorts discharge, instead of a chamber separate such as chamber 16 for each of the retorts.
The main purpose of chamber 16 is to maintain the reaction mixture at an elevated temperature for a time sufficient for the reaction to be complete and for the desired product to be formed. But, during this processing operation, it is not necessary to maintain the same temperature as in the
<Desc / Clms Page number 14>
EMI14.1
..... r: e of 1 reaction and it seems advantageous to make the temperature di-lirier relatively slow In addition, it is possible, during this operation, to reduce the turbulence.
@@ As desired, the section of chamber 16 may be the same as that of chamber 1 and the desired tei..ps factor may be obtained by increasing the length of the chamber. However, to achieve economy in construction, this chamber is generally given a larger section, as shown in the drawing, instead of increasing its length.
In addition, it is not essential that the chambers 1 and 16 are cylindrical. They can be rectangular, for example.
There must exist between the cross section and the length of the chamber 1 and its operating capacity,
EMI14.2
that is to say the volume of the gas-them mixture which passes through it, a relation such as to maintain a high speed and a strong turbulence therein for a period sufficient to cause the formation of carbon films in conditions of very high turbulence. If the chamber is cylindrical, as shown, we see
EMI14.3
G'dl1 ': i.';. :: I ... ent that its diameter should not exceed about 60 cal. If the diameter of the. cylindrical chamber is more, ¯; Land, the injection of the manufacturing gas and its m1EU ':.:; e with the blown fiante e-uLvent give rise to difficulties.
From z ..:. E, if the reaction number is rec-; .t! 'Üß7.'8, it is appropriate that at the OD ins of a'? 3 transverse dimensions is not sure. ! Y'0nt sulér.:. L.:E at about 60 s When the sc.l.:ion ¯. :: f] G7e: r3ale,:; '9 the reaction chamber el-1-t' elati7. low er.e.1t, which can be Korean ter with a single blown jet instead of the burner block ire multiple jets ;; Phone. that it is :: t'0.1. :: c-Ss-: nt: S. TJute ± == 1; ,, the irsta7¯'a-
<Desc / Clms Page number 15>
Larger structures, with a cross-sectional diameter of about 25 µm or more, must have several nozzles to provide a sufficient volume of the blown flame at the desired speed and turbulence and achieve uniform expansion of flame in the cross section of the chamber.
The diameter of the reduced section of the blowing nozzle (s) should not exceed approximately 5 to 6.3 cm.
In general, diameters greater than 6.3 cm do not give good results. The burner blocks, constructed in such a way as to create an area of disturbed currents at the periphery of the outlet of each nozzle appear to help maintain ignited the gases blown out of the nozzle, to allow the jet to reach its maximum speed and to help maintain a maximum burn rate and a uniform extension of the flame in the cross section of the furnace. A fairly large portion of a relatively flat surface of the face of the burner bloo appears to help establish and maintain this area of troubled currents.
The total cross-sectional area of the burner orifices must be chosen so as to impart to the combustible mixture passing through them a speed suitable for forming an extremely turbulent blown flame and of a speed sufficient to prevent it from returning back into the pipe. feed, when a pre-mixture of air and gas is used. Satisfactory operating results were obtained, as has already been said, with a speed at the outlet of the blown gas nozzles of between approximately 10.5 and 41 m / sec, based on volumes measured at 16 0 and under an absolute pressure of 760 mm Hg.
Particularly satisfactory results have been obtained with a nozzle velocity of about 26 m / seo,
<Desc / Clms Page number 16>
Instead of bringing a preliminary mixture of air and gas into the installation, they can be made to arrive separately, for example as shown in fig. 4, which shows an assembly formed by a burner block 6, such as that of FIG. 3 and by a burner head 10 into which air is fed through line 8 which is not mixed with the fuel gas. In this device, the combustible gas is projected into the air currents passing through tubes 11 through gas nozzles 18 in which the combustible gas arrives under pressure by means of a suitable distributor 19.
The most advantageous retort dimensions can be varied according to the capacity of the installation, and for a given installation the operating conditions can vary within narrow limits.
It is essential to maintain an extremely turbulent blown flame and to inject the manufacturing gas into the active flame. It is also essential that the speed of the gas mixture in the retort chamber is sufficient to establish a state of high turbulence therein.
Satisfactory turbulence was obtained in installations of industrial dimensions with a speed of about 10.5-to 30 m / sec, measured under running conditions, i.e. at an average temperature of 1515 C , or with a speed of about 120 to 330 m / sec, calculated under normal conditions of 16 C and 760 mm Hg.
Particularly advantageous results have been obtained with a speed of about 18 to 27 m / sec, based on an average temperature of 1315 C, or about 1 to 300 m / sec. under normal conditions. A lower speed will only be satisfactory in chambers of relatively small cross section, for example not exceeding 35 cm in diameter,
<Desc / Clms Page number 17>
We can also vary the duration during which. the. turbulence is maintained.
Under usual operating conditions, the high speed portion of the chamber should be at least 1.5 m in length following the point of introduction of the manufacturing gas, and preferably not less than about 2, 1 m. High speed portions of up to 4.5 to 6 m in length have given good results. The length of the high speed portion of the furnace depends to a large extent on the speed of the gases in the furnace, so as to achieve the necessary time factor at high temperature.
The characteristic of the product is influenced by the duration of contact with the gases at high temperature in chambers 1 and 16. This period is preferably terminated by abrupt cooling of the mixture, for example by spraying with water, at a temperature. temperature of about 580 0. Boxwood the temperature can be lowered to about 260 0 and the carbon black can be collected by any means
EMI17.1
ondina will go.
The most advantageous contact time will vary to a large extent depending on the richness of the combustible gas and the process gas and the proportions between air and total gas. All other things being equal, it is generally advantageous to reduce the contact time when the hydrocarbon gas is richer. The aforementioned contact time denotes the time which elapses between the injection of the manufacturing gas into the blown flame and the cooling of the resulting gases and of the carbon in suspension to a temperature of about 1095 0, by radiance or by watering.
Satisfactory results have been obtained with a contact time of between about 0.25 and 2.6 seconds, with proper adjustment of the conditions of
<Desc / Clms Page number 18>
worked. However, the contact time can be kept advantageously in industrial operations between the limits of 0.5 and 1.5 seconds. The contact time of about 1.1 seconds is most suitable for 1.production of a carbon black of high modulus, high tensile strength and low electrical resistivity, In general, if the contact time is too long, there is a reduction in the reinforcing properties of the carbon black obtained.
If this time is too short, it is less, the modulus of the product tends to be low and its content of extractable elements is higher, With too short a contact time, it is necessary to operate at a very high temperature. high to obtain a carbon black of comparable properties.
The temperature of the blown flame at the point of introduction of the process gas must be high enough to cause rapid decomposition of the process gas and the amount of heat contained in the blown gases must be such that after the process gas is mixed. . with them, the temperature of the mixture thus obtained is high enough to initiate and almost completely complete the decomposition of the process gas., In general, the temperature of the blown flame at the point of introduction of the process gas should be between about 1150 and 1480 C.
Particularly satisfactory results have been obtained in operations in which the temperature of the blown flame was between 13450 and 1480 C, measured by an optical pyrometer focused on a "Carbofrax" target tube placed just upstream of the zone. introduction of manufacturing gas. In normal industrial installations, good results have been obtained with a blown flame temperature of between 1350 and 1425 0, and in particular between 1380 and 1400 C.
<Desc / Clms Page number 19>
If the temperature is higher or lower than the limits indicated above, it is observed that the yield decreases. If the temperature is higher, there is a tendency to obtain a low modulus carbon black.
The temperature of the blown flame depends mainly on the relative proportions of fuel gas and air, the rate of combustion and the calorific value of the fuel gas.
By using natural gas with a calorific value of 9040 cal / m, the best results have been obtained with a ratio between the blown air and the fuel gas of between approximately 12.5 1 and 15: 1. When this ratio decreases It is found that the modulus of the carbon black produced decreases and in addition that its electrical conductivity characteristics are adversely affected. In small installations, it has been found that it is possible to operate with little or no excess air. However, in installations of industrial dimensions, it is essential that the oxygen content of the blown gases be appreciably in excess of that which is necessary for the complete combustion of the fuel gas.
The excess oxygen appears to exert an activating action on the carbon and furthermore to react more or less with the hydrogen or the manufacturing gas to release heat and thus prevent an excessive drop in temperature downstream below. the effect of oraoking endothermic reactions.
The most advantageous point of introduction of the process gas will vary depending on the nature of the installation and the volume and velocity in the nozzle of the blown gas stream. It is generally observed that the properties of the blown flame, which are most suitable for the introduction of the manufacturing gas, are obtained at a distance downstream of the initial ignition zone equal to approximately one or two times the diameter or the transverse dimension.
<Desc / Clms Page number 20>
The point of introduction of the process gas should normally be downstream of the area of the maximum burn rate of the blown flame, but upstream of the point where.
combustion is complete, The exact point where. These most advantageous conditions are obtained varies to some extent with the nature of the installation, but under normal operating conditions its distance should not be greater than about three diameters of the reaction chamber from the point initial ignition. When the manufacturing gas is injected into the blown flame at a point upstream of the aforementioned zone, the efficiency tends to decrease quite rapidly. Furthermore, the injection of the manufacturing gas into the flame blown at a point beyond this zone tends to significantly reduce the modulus and the electrical conductivity of the product.
A high velocity in the nozzle of the fuel gas mixture is advantageous in forming the required extremely turbulent blown flame, obtaining a high combustion rate and rapid heat development. So . as has already been said, satisfactory results are generally not obtained with nozzles with a diameter greater than about 6.3 cm. However, it is necessary to inject a sufficient volume of the blown mixture into the reaction chamber to achieve the necessary temperature and turbulence.
Low cross-sectional reaction chambers may have only one nozzle. However, in plants of industrial dimensions, the larger volume of blown gas should be obtained by means of several nozzles rather than a single nozzle of larger diameter. Small diameter nozzles have the advantage of increasing the contact surface of the blown gases with the hot refractory tube and of achieving
<Desc / Clms Page number 21>
better mixing of the blown gases with the hot products of combustion by suction.
In addition, the small diameter nozzles cause the flame to acquire a more uniform composition and temperature throughout the cross section of the reaction chamber *
The rate at which the manufacturing gas is injected into the blown flame depends to a large extent on the cross section of the reaction chamber. When the chamber is cylindrical, the most advantageous speed of the manufacturing gas appears to increase generally with the square of the diameter of the chamber.
In normal operation, the speed of the manufacturing gas can be preferably between about 12 and about 60 m / sec. Particularly satisfactory results have been obtained with a speed of between about 30 and 45 m / sec: in chambers of about 60 µm in diameter,
Satisfactory results have been obtained with manufacturing gas inlet tubes having a diameter of about 1.58 mm to 10 cm. The most advantageous generally have a diameter of about 25 mm. As has already been said, these tubes may terminate flush with the inner wall of the reaction chamber or extend into the blown gas stream so as to preheat the manufacturing gas before it mixes with it. the blown flame ..
The rate at which the process gas is injected into the reaction chamber is important because it has a great influence on the rate at which the process gas mixes with the suction and turbulence blown flame. Velocities within the stated limits also have the effect of moving the process gas stream away from the chamber wall.
<Desc / Clms Page number 22>
reaction and thus avoid the foundation of coke deposits.
In general, as the transverse dimension of the reaction chamber increases, the speed must be greater to achieve uniform mixing of the process gas with the flame.Uniform mixing is obtained more easily by making the introduction tubes smaller in diameter. Manufacturing gas. Increasing the cross section of the manufacturing gas introduction tube tends to increase the average carbon particle size to some extent.
It has also been found that the nature of the product varies to some extent with the relative proportions of blown air and total hydrocarbon gas, i.e. fuel gas + process gas. Good results have been obtained keeping this ratio within the limits of about 4 to 5.7. In general, the best results have been obtained in producing total reinforcing carbon black and total modulus using natural gas with an air supply of between 44 and 58% of the amount required to complete combustion of fuel gas and process gas.
In general, other things being equal, an increase in the volume of process gas tends to increase the yield, particle size and content of elements that can be extracted from carbon black and to decrease the resistance properties. the traction and electrical conductivity of the product. When the ratio between air and total gas is greater or less than the most advantageous limits, we observe
EMI22.1
un1- ± 1; .intion of C: "lr2 ctaris tics of the product modulus.
The 1 ..: oc% <ié perfects of the invention "t 1T.:vanta de; ¯ .. e to use a relative hydrocarbon gas tivc .. <in t pu cj; *: = uc, * 1 that natural gas, consisting mainly of
<Desc / Clms Page number 23>
rise in methane, as the main source of heat, and to vary the composition of the process gas independently of that of the fuel gas. Due to the economic factor, natural gas consisting mainly of methane is preferably used as the process gas. However, it is sometimes advantageous to enrich the process gas with a higher carbon content hydrocarbon, such as propane, or natural gasoline, acetylene, petroleum, or creosote oils. increase the yield.
This enrichment is particularly advantageous when it is desired to obtain carbon blacks of high modulus.
In general, increasing the calorific value of the process gas by the addition of these other hydrocarbons has the effect of increasing the modulus, particle size and yield of carbon black. It has been found that in order to prepare carbon blacks of high modulus, a calorific value of at least 10,200 oal / m3 and preferably between 13,350 and 14,140 cal / m3 is advantageous to obtain the best reinforcing properties and best performance. It has been found that enrichment exceeding this limit tends to decrease the tensile strength and lower the reinforcing properties of the carbon black.
The hydrocarbons which decompose without "absorption of heat, in particular the aromatics and the olefins, are of particular interest in addition to the manufacturing gas of the process of the invention, because they give the product characteristics of high modulus and increase the temperature. yield.
Likewise, it is sometimes advantageous to add to the natural gas which serves as manufacturing gas in the process of the invention a hydrocarbon which decomposes with the release of heat in proportion.
<Desc / Clms Page number 24>
heat so as to compensate at least in part for the drop in temperature normally caused by endothermic cracking reactions during the passage of the gas stream through the reaction chamber by the exothermic cracking of these added hydrocarbons.
The following examples show how the invention can be applied in practice in installations of various sizes and proportions. In each case, the obtained carbon black was mixed with natural rubber, in accordance with the following standardized composition for tire treads *
EMI24.1
<tb> Parties
<tb>
<tb> Smoke <SEP> sheet <SEP> of <SEP> rubber <SEP> 100
<tb> Black <SEP> of <SEP> carbon <SEP> 52
<tb> Zinc <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> 3
<tb> Stearic acid <SEP> <SEP> 4
<tb> Tar <SEP> from <SEP> pin <SEP> 2
<tb> Sulfur <SEP> 2.7
<tb> Produces <SEP> of <SEP> the <SEP> reaction <SEP> of <SEP> ketone-amine <SEP> 1.5
<tb> Mercaptobenzothiazol <SEP> 0.9
<tb>
then the rubber composition thus obtained was vulcanized and tested by the ordinary method.
The operating conditions and the characteristics of the respective carbon blacks produced are given in the table below.
<Desc / Clms Page number 25>
EMI25.1
<tb>
Our <SEP> of <SEP> examples <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6
<tb>
EMI25.2
Diameter of the reaction chamber, 0m 60 35 35 60 60 -
EMI25.3
<tb> Distance <SEP> from <SEP> point <SEP> of introduction <SEP> of
<tb>
<tb> gas <SEP> from <SEP> manufacture, <SEP> am <SEP> 63 <SEP> 68 <SEP> 60 <SEP> 87 <SEP> 87 <SEP> 83
<tb>
<tb> Diameter <SEP> of the <SEP> tube <SEP> of the <SEP> gas <SEP> of <SEP> fabrica-
<tb>
EMI25.4
tion, on 3.5 2.5 2.5 2.5 25 25
EMI25.5
<tb> heat <SEP> power <SEP> of the <SEP> gas <SEP> of <SEP> manufactured
<tb>
<tb>
<tb> cation,
<SEP> cal / m3 <SEP> 9040 <SEP> 9040 <SEP> 8840 <SEP> 9700 <SEP> 9700 <SEP> 10680
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> conditions for <SEP> operations
<tb>
<tb>
<tb> Air flow <SEP> <SEP> m3 / h <SEP> 2830 <SEP> 1047 <SEP> 934 <SEP> 3400 <SEP> 3115 <SEP> 4800
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Ratio <SEP> air / <SEP> gas <SEP> fuel <SEP> 15 <SEP> 14.5 <SEP> 12 <SEP> 15 <SEP> 16, <SEP> 5 <SEP> 14.9
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Air / gas <SEP> ratio <SEP> total <SEP> 5.20 <SEP> 5.4 <SEP> 4.82 <SEP> 5.4 <SEP> 5.5 <SEP> 4.9
<tb>
<tb>
<tb> Duration <SEP> of <SEP> contact <SEP> approx. <SEP> sec. <SEP> 1.1 <SEP> 1 <SEP> (0.3- <SEP> 1.1 <SEP> 1.1 <SEP> 0.9
<tb>
<tb>
<tb> (0.5
<tb>
EMI25.6
Blowing temperature approx. 00 1425 1380 1595 1570 1330 1425 ï? = N,% emen t, total gas v ixs 50 27 38 55 46 91 B - '<- cooked e :: t -'-, (Jt.ï:
0.18 0.02 0.25 0.10 0.05 0.14 ri'f-iet., 3 Natural rubber Duration, ';:. vlc4 xis. tion, min. -, 17.5 15 15 15 15 15 Extension 3CO "modulus kgf cm2 93.55 87.15 95 55 81.55 84.3586.1C Tensile strength kg / Cm2 287 254 30l 294 284 287,. 1.er: in b 5; 615 630 627 650 640 655 Shore hardness 64 63 65 64 62 63 Log R, electrical resistivity 2,1 23 3,1 3,1 25 z6 the reaction chamber of the installation of the example 6 was rectangular, with dimensions 43 x 95 cm.
Additional examples 7 and 8 show the effect produced by enriching the manufacturing gas, for example with butane, the operating conditions and the characteristics of the products being indicated in the table below. In Example 7, the manufacturing gas is unenriched natural gas. In Example 8, the same natural gas enriched with butane was used as manufacturing gas.
EMI25.7
<tb>
Our <SEP> of <SEP> examples <SEP> 7 <SEP> 8
<tb>
<tb> Diameter <SEP> do <SEP> the <SEP> chamber <SEP> of <SEP> reaction, <SEP> cm <SEP> 23 <SEP>. <SEP> 23
<tb> Distance <SEP> from <SEP> point <SEP> of intr. <SEP> from <SEP> gas <SEP> from <SEP> manufacture, <SEP> cm <SEP> 30 <SEP> '<SEP>' <SEP> 30
<tb>
EMI25.8
.s.rta.te of the manufacturing gas tube, cm 0.95 2.5
EMI25.9
<tb> calorific power <SEP> <SEP> of <SEP> gas <SEP> from <SEP> manufacture, <SEP> calm3 <SEP> 8840 <SEP> 10325
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> conditions for <SEP> operations
<tb>
<tb>
<tb> Air flow <SEP> <SEP> m3 / h <SEP> 227 <SEP> 226
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Air / gas <SEP> ratio <SEP> fuel <SEP> 12.4 <SEP> 14.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Air / gas <SEP> ratio <SEP> total <SEP> 4.59 <SEP> 4.7
<tb>
<tb>
<tb> Duration <SEP> of, <SEP> contact <SEP> approx. <SEP> sec.
<SEP> 0.69 <SEP> 0.70
<tb>
<tb>
<tb> Temperature <SEP> of <SEP> supply air <SEP> pprox. <SEP> C. <SEP> 1325 <SEP> 1250
<tb>
<tb> Product
<tb>
EMI25.10
i *: or.etr.ct,; t 0.23 0.09 P: roprié.tJ3 au c8c u b fails JI, diU: Ci! 1 Duration of vc a i. -in, 1 .-: 11'1. , 15 15 Nodule a. 1S "4'.o i1 'llc; j,' (I '\\ ..' rJt, kg / ca2 84.35 115 resistaksec. 1 t .. 'H: Jo.iG. \, kgjcm2. 308 .80 Allo1gemel! T; b ô15 595 Du.t'f: té So -. 'E 65 66 Log 1,. (' É $ 1 $ Uvit 'çi? CfM # 2, o 2.8
<Desc / Clms Page number 26>
The proportion of air in the blown gas mixture is a little higher in Example 8, but the other conditions, although not identical, are very similar. The yield of the test of Example 8 is 62 g per m3 of total gas.
That of example 7 is a little less; but it will be noted that the characteristic of the modulus of the product of Example 8 is significantly higher than that of the product.
EMI26.1
of example 7 t-
During the tests of Examples 2 and 3, the tubes for introducing the manufacturing gas enter the reaction chamber over respective lengths of 5 and 2.5 cm.
During all other tests, the inner end of the manufacturing gas tubes is flush with the walls of the reaction chamber. Likewise, in each case the tubes of the manufacturing gas are substantially perpendicular to the longitudinal axis of the reaction chamber.
The modulus, tensile strength, elongation and Shore hardness of the foregoing tables were determined by ordinary methods. The values of log R - of the electrical resistivity, which is the logarithm of the resistivity in ohms-centimeters, are obtained by the equation
EMI26.2
log R = log ### in which r = the resistivity measured in ohms, w = the width of the upright plate in centimeters, 5 = the average thickness of the plate in centimeters and 1 = the distance in centimeters between the points of electrical contact with the test plate.
The conta times, and Examples 1, 2, 4, 5, 7 and 8 of the preceding tables represent the approximate time in seconds which elapses between the injection of the manufacturing gas into the blown flame and the cooling of the heated mixture by spraying with water to a temperature below the active temperature of the reaction or by
<Desc / Clms Page number 27>
lowering the temperature to approximately 1095 C by radiant cooling. The test installation 3 comprises a jacket of water for cooling the heated mixture leaving the reaction chamber.
The calculated contact time in the reaction chamber is 0.33 seconds and the calculated time to a point approximately mid-distance in the cooling element, where. the temperature is assumed to be about 1095 C, is about 0.5 seconds.
The total cross-section of the burner orifices of the plant of the type shown should be chosen so as to provide a suitable volume of the combustible mixture into the reaction chamber at the rate which is necessary to form an extremely turbulent blown flame. This speed should be chosen so as to prevent the flame from flowing back into the feed lines, especially when pre-mixed air and mixed gas are introduced. Good results have been obtained with burner heads supplying the combustible mixture into the reaction chamber at a gas nozzle velocity between 10.5 and 41 m per second, based on the volume measured at 16 C and an absolute pressure of 760 mm Hg.
The burners delivering at a nozzle velocity of about 26 m / seo are particularly effective.
Satisfactory results have been obtained in installations in which the total reduced section of the burner orifices is between 3% and 28% of the free section of the reaction chamber. In large installations.
, this section is generally between 7 and 25%. A cross section of about 12.5% is particularly advantageous in burners with mixed nozzles and about 7% to 10% in pre-mixed burners.
When exothermic manufacturing gas is brought into installations of the type described above,
<Desc / Clms Page number 28>
The gas degassed from the blown flame is absorbed by the decomposition reaction of the manufacturing gas and often results in a deleterious drop in temperature of the gas mixture as it passes through the reaction chamber. This detrimental temperature gradient in the reaction chamber can be minimized by means of an oxidizing blown gas, as has been described.
Another means of avoiding detrimental temperature gradients in the reaction chamber in operations of the type described is, according to the invention, to mix an endothermic hydrocarbon or a mixture of thermal carbon dioxide with an exothermic manufacturing gas, The expression "endothermic hydrocarbon" obviously designates a hydrocarbon which decomposes with the release of heat, as opposed to exothermic hydrocarbons which absorb heat by their decomposition reaction.
According to this characteristic of the invention, part of the heat absorbed by the endothermic decomposition of natural gas, for example, is returned to the gaseous mixture by the exothermic decomposition of the addition hydrocarbon.
Endothermic hydrocarbons which are suitable for this purpose are unsaturated hydrocarbons, preferably aromatics, such as for example benzene: toluene, xylene, etc., Other endothermic hydrocarbons. mics which. which may be advantageously chosen are the heavy aromatic petroleum residues, as well as the low boiling olefinic hydrocarbons, for example ethylene and propylene. Highly unsaturated hydrocarbons, such as acetylene, can also be advantageously chosen.
<Desc / Clms Page number 29>
The most advantageous proportions of the endothermic hydrocarbons to be mixed with the exothermic production gas are variable and depend on the conditions, the operation desired and the quantity of heat released by the decomposition of the endothermic hydrocarbon chosen. For example, when the endothermic hydrocarbon oonsists in acetylene, proportions of between about 5% and about 25% by volume, based on the total volume of the manufacturing gas, are particularly advantageous.
If it is a normally liquid endothermic hydrocarbon, proportions of between about 0.034 and 0.135 liters per m3 of natural gas give good results.
If one chooses products which are easily found in commerce, it is necessary to take into account the proportion of endotheimic hydrocarbon which they contain in order to determine the proportion of these products to be mixed with the gas. exothermic manufacturing. The addition of these endothermic hydrocarbons is particularly advantageous in combination with an oxidizing blown flame. But they can also be added in combination with a reducing or substantially neutral flame.
The effectiveness of this characteristic of the invention with regard to the reduction of the temperature gradient in the reaction chamber emerges from comparative tests carried out in an installation of semi-industrial dimensions substantially identical to that which has been described in first place. This installation consists of a cylindrical reaction chamber, elongated and heat-insulated, with an internal diameter of 18 cm and a total length of 5.2 m.
A burner block about 30 cm thick is placed at one end of the reaction chamber, the other end of which opens into a cooling chamber also 18 CI;} in diameter and about 3 m in length .
<Desc / Clms Page number 30>
This cooling chamber is surrounded by a water jacket absorbing the heat of the gas slurry passing through it and the downstream end of the cooling chamber terminates in a bag-type filter for separating the carbon black into it. suspension of effluent gases.
The reaction chamber has four tubes for injecting the production gas, each 6.35 mm in internal diameter, distributed 90 degrees apart, at a distance of about 38 cm from the end of the burner side of the chamber. chamber and designated together by M-1. A second, similar series of manufacturing gas injection tubes, together designated M-2, are arranged further downstream at a distance of 60 cm.
To operate the installation, a combustible mixture of air and gas is blown through the orifice of the burner and it is burned in the chamber, the flow rate of the natural gas elements of the blown gases being 22 m3 per hour. . The manufacturing gas is injected by one or the other of the series of injection tubes, as will be seen later, with a flow rate of approximately 22 m3 per hour.
Before starting the tests, the reaction chamber is heated to operating temperature and during the tests the temperature at points T-1, T-2, T-3, T-4, T-5 and T-6 is recorded. located respectively at distances of 83, 143, 218, 278, 368 and 458 cm from the end of the burner side of the chamber. The manufacturing gas of test 1 consists only of natural gas, that of test 2 consists of natural gas containing 8.6% by volume of acetylene, the manufacturing gas of tests 1 and 2 is injected through tubes M-1, and that of tests Nos. 3 and 4 is injected through tubes M-2. The manufacturing gas of test 3 consists only of natural gas identical to that of the preceding tests, and that of test 4 is identical to that of test 2 and contains 8.6% by volume of acetylene.
During each test, the volume of gas
<Desc / Clms Page number 31>
construction is substantially identical to that of fuel gas, measured under comparable conditions.
The other operating conditions, the temperature gradients and the carbon black yields in kg per hour obtained during these comparative tests are shown in the table below:
Table 1
EMI31.1
<tb> Test <SEP> n <SEP> 1 <SEP> Test <SEP> n 2 <SEP> Test <SEP> n 3 <SEP> Test <SEP> n 4
<tb>
<tb>
<tb> Air <SEP> blown <SEP>: <SEP> Gas <SEP> fuel <SEP> 10.0 <SEP> 10.0 <SEP> 10.0 <SEP> 9.9
<tb> Air <SEP> total <SEP>:
<SEP> Gas <SEP> total <SEP> 5.0 <SEP> 5.0 <SEP> 5.0 <SEP> 4.9
<tb>
<tb> Temperature <SEP> C
<tb> T-1 <SEP>. <SEP> 1335 <SEP> 1343 <SEP> 1504 <SEP> 1518
<tb> T-2 <SEP> 1318 <SEP> 1343 <SEP> 1238 <SEP> 1290
<tb> T-3 <SEP> 1288 <SEP> 1300 <SEP> 1245 <SEP> 1277
<tb> T-4 <SEP> 1263 <SEP> 1270 <SEP> 1220 <SEP> 1232
<tb> T-5 <SEP> 1229 <SEP> 1229 <SEP> 1152 <SEP> 1204
<tb> T-6 <SEP> 1185 <SEP> 1185 <SEP> 1120 <SEP> 1150
<tb>
<tb> Duration <SEP> of <SEP> contact <SEP> in <SEP> seconds <SEP> 0.30 <SEP> 0.30 <SEP> 0.27 <SEP> 0.27
<tb> Efficiency, <SEP> kg / h <SEP> 2,360 <SEP> 3 <SEP> 2,632 <SEP> 4,232
<tb>
It emerges from the above table that the temperature gradient in the reaction chamber is significantly reduced by adding to the production gas a proportion of acetylene as low as 8.6%.
This result emerges in particular from test n ° 4, and the improvement is obtained even when the proportion of air in the blown fuel gas mixture is slightly less than that which is theoretically necessary for the complete combustion of the heating element. natural gas from the mixture.