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Production de carbon black
La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil de production de carbon black de fine granulométrie et d'un pouvoir renforçant élevé pour le caoutchouc, par la dé- composition thermique d'hydrocarbures. Elle concerne plus particulièrement un procédé de production de carbon black par la décomposition thermique d'hydrocarbures liquides dans des condi- tions telles que le carbone soit formé entièrement, ou en substance entièrement, à partir d'une matière première hydrocarbonée et que la chaleur nécessaire pour la décomposition soit apportéepar la combustion d'une seconde matière première hydrocarbonée.-
Il est connu de produire des carbon blacks de four par la décomposition d'hydrocarbures liquides en mélange avec des gaz de combustion chauds, produits séparément.
Entre autres, le brevet américain n 2,625.466 Ira Williams, décrit en substance un procédé de cette nature.
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Beaucoup des propriétés du carbone produit par un procédé au four sontdéterminées par les propriétés des hydrocarbures particuliers dont le carbone est issu. Pour cette raison, il est souhaitable que le carbone ne soit formé que par la matière pre- mière hydrocarbonée qui donne des particules de carbone possédant les propriétés spécifiques désirées.
Il s'est avéré, toutefois, qu'avec les procédés et les fours généralement utilisés jusqu'à présent une grande partie du carbone obtenu provient de l'hydro- carbure combustible et non de la matière première hydrocarbonée destinée au cracking, appelée ci-après "matière première de cracking". La formation de carbone à partir du combustible est particulièrement marquée quand on utilise comme combustible une matière contenant peu d'énergie libre, telle que'le méthane, parce que la lente combustion du combustible conduit au mélange avec la matière première de cracking avant sa combustion complète.
Cette combustion lente a non seulement pour résultat la formation de carbone à partir d'une partie du combustible mais aussi la co- bustion d'une partie de l'hydrocarbure destiné au cracking pour la production de carbon black. Ces procédés connus non seulement sont difficiles à régler, mais encore ils donnent des carbon blacks qu'on sait maintenant être inférieurs à ceux qu'il est possible. d'obtenir.
Un des buts importants de la présente invention est de procurer un procédé et des fours pour son exécution, qui permettent de produire du carbone en substance entièrement à partir de la ma- tière première de cracking désirée, bien que celle-ci soit décompo- sée en mélange avec des gaz chauds formés par la combustion d'un combustible hydrocarboné de composition différente.
Un autre but est de procurer un procédé et des dispositifs pour distribuer uniformément dans les gaz de combustion chauds la matière première de¯cracking, de façon que la décomposition de cette matière ait lieu d'une manière réglée pour former du carbone d'une qualité donnée.
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Un autre but important de la présente invention est de procurer un procédé et des fours pour produire du carbon black d'une qualité extraordinairement fine et particulièrement intéressan- te pour le renforcement du caoutchouc.
Suivant la présente invention, on produit du carbon black en faisant brûler complètement un combustible hydrocarboné approprié pour former des gaz de combustion chauds, sensiblement exempts de combustible non brûlé, en introduisant ces gaz chauds en un courant étranglé à grande vitesse dans une zone de mélange limitée située à l'embouchure ou extrémité d'entrée d'une chambre de réaction allongée, et de là dans cette chambre, en distribuant uniformément une matière première hydrocarbonée de cracking dans les gaz chauds lorsque ceux-ci entrent dans la zone de mélange, et en décomposant la matière première de cracking du mélange résultant pour former le carbone.
La décomposition s'accomplit lorsque le mélange traverse la chambre de réaction allongée, et les produits de décomposition sont refroidis avant d'être évacués du four pour subir un traitement afin de séparer et recueillir le carbone.
Les gaz de combustion chauds sont formés par la combustion complète d'un combustible approprié dans une chambre de combustion qui, de préférence entoure une des extrémités de la chambre de réaction et communique latéralement avec cette extrémité par un passage annulaire étranglé entourant et délimitant la zone de mé- lange. Les gaz chauds convergent de ce fait de tous les côtés vers une zone de mélange centrale dans laquelle ils pénètrent à une vitesse fortement accrue. Au moment, où les gaz entrent dans cette zone, la matière première de cracking est distribuée symétriquement dans les gaz chauds, par exemple par l'injection de la matière première de cracking sous la forme d'un cône coaxial s'épanouissant d'hydrocarbure atomisé ou vaporisé.
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La combustion complète du combustible qui évite la présence de combustible non brûlé dans les gaz de combustion chauds, est favorisée par l'apport d'une quantité abondante d'air de combustion et en forçant le mélange combustible en combustion à lécher la surface d'une paroi réfractaire chaude et à modifier sa trajectoire avant de pouvoir quitter la chambre de combustion.
Il s'est révélé que la vitesse élevée du courant des gaz chauds entrant dans la zone de mélange a une influence primordiale sur la qualité du carbone obtenu.. La qualité du produit peut être modifiée en faisant varier la vitesse des gaz par le réglage de la section transversale du passage étranglé, par exemple en réglant la hauteur, s'il s'agit d'un passage annulaire étranglé. Par exemple, quand on utilise une chambre de réaction d'un diamètre de 12 pouces (30,5 cm) pour produire du carbone à partir d'une huile résiduelle lourde d'une densité A.P.I. 5, un passage annulaire étranglé d'une hauteur de 6 pouces (15,2 cm) soumis à une pression des gaz de combustion égale à 20 pouces d'eau (507 kg/ m2) on obtient un carbone ayant une surface de 80 m2 par g.
Quand la hauteur du passage est réduite à 3 pouces (7,6 cm) et que la pression des gaz de combustion est portée à 90 pouces d'eau (2286 kg/ m2) la surface du carbone produit augmente à 200 m2 par g.
D'autres buts, particularités et avantages de la présente invention, ainsi que le.-; modes préférés de réalisation, ressorti- ront de la description détaillée ci-après et des dessins illustra- tifs annexés dans lesquels les mêmes chiffres de référence désignent des parties identiques ; ces dessins:
Fig. 1 est une vue en coupe verticale d'une forme pré- férée de four conforme à la présente invention;
Fig. 2 est une vue en coupe transversale horizontale prise suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1; et,
Figs. 3 et 4 sont des sections transversales verticales fragmentaires des parties supérieures de variantes de fours conformes à la présente invention.
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Sur les Figs. 1 et 2 des dessins, le corps principal du four représenté est formé d'un long cylindre massif, en matière réfractaire, disposé verticalement 12 et entouré d'une enveloppe métallique 13. Le passage cylindrique axial 14 de ce cylindre vertical constitue la chambre de réaction dans laquelle s'opère la réaction. Telle qu'elle est représentée la chambre 14 comporte un léger étranglement au voisinage de son extrémité supérieure mais cette particularité peut être omise.
Un anneau en matière réfractaire plus mince 15 est monté axialement sur l'extrémité supérieure du cylindre 12 et définit la partie supérieure et l'embouchure ou entrée de la chambre de réaction 14.
Un second anneau en matière réfractaire relativement mince 16, de plus grand diamètre et de plus grande hauteur que l'anneau 15 est également monté sur l'extrémité supérieure du corps 12, de manière à laisser un espace 17 entre les anneaux 15 et 16 pour la combustion du combustible. Plusieurs brûleurs à aspiration 18, six sur la figure, débouchent dans l'espace 17 près de son extrémité extérieure de son fond. Ces brûleurs sont montés de façon qu'ils dirigent radialement les gaz de combustion et la flamme vers la surface cylindrique extérieure de l'anneau 15.
Un couvercle en matière réfractaire 19 est monté au-dessus de la partie supérieure de l'anneau 16 et sert à la fois à délimiter l'espace de combustion 17 et étranglé 20 menant de cet espace dans une zone de mélange située entre le couvercle 19 et l'embou- chure de la chambre de réaction, en passant radialement au-dessus de l'extrémité supérieure de l'anneau 15.
Les brûleurs 18 sont alimentés de gaz combustible par une rampe de distribution 21. Un caisson 22 monté à la partie su- périeure du four renferme les brûleurs 18, et ce caisson est alimenta par un compresseur 23, d'air sous une pression suffisante pour main- tenir l'écoulement d'air désiré dans les brûleurs.
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L'extrémité inférieure de la chambre de réaction 14 comporte un dispositif de pulvérisation d'eau 24 qui sert à refroi- dir le mélange gaz-carbone sortant de la chambre 14. Le mélange refroidi quitte la chambre 14 par le conduit 25 pour arriver dans un collecteur (non représenté).
Un tuyau 26, destiné à introduire la matière première de cracking,comporte à son extrémité un injecteur qui est disposé au-dessus de l'embouchure de la chambre de réaction 14 approxima- tivement dans l'axe de celle-ci. Ce tuyau traverse le caisson par une ouverture 27 ménagée dans le couvercle 19. L'injecteur qui se trouve à son extrémité peut être de tout type convenable permettant d'injecter de manière uniforme la matière première de cracking sous une forme d'un jet conique s'épanouissant, comme représenté schématiquement en 28. Il est conçu de manière à débiter sensiblement au niveau de la surface inférieure du couvercle 19.
L'ouverture 27 est légèrement plus grande que le tuyau 26, ce qui permet à l'air du caisson 22 de circuler le long du tuyau et de l'injecteur et de les refroidir.
En fonctionnement, un mélange d'air et de combustible hydrocarboné est introduit avec force dans la chambre de combustion 17 et brûlé dans celle-ci, par les divers brûleurs disposés à la périphérie de cette chambre. Bien que six brûleurs assurent d'ordinaire une production et une répartition de gaz de combustion adéquatement uniformes, on peut utiliser un nombre plus grand ou plus petit de brûleurs si ceux-ci sont d'une capacité et d'une construction appropriées. On utilisera au moins quatre brûleurs dans tout agencement dans lequel la chambre de combustion entoure la chambre de réaction. Les brûleurs peuvent déboucher dans n'importe quelle direction désirée vers la surface d'une paroi réfractaire de la chambre de combustion.
Le mélange combustible brûle complètement dans la chambre 17, et les gaz de combustion chauds résultants s'écoulent par le passage annulaire étranglé 20, et de tous les côtés de celui-ci, dans l'espace de mélange à l'embouchure de la chambre de combustion.
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Les gaz chauds, en convergeant à grande vitesse dans cet espace, rencontrent la matière première de cracking qui y est débitée uniformément sous la forme d'un jet pulvérisé conique. Le cône du jet pulvérisé forme de préférence un grand angle de manière que la matière de cracking pénètre dans les gaz chauds avant que les gaz n'entrent dans la chambre de réaction. Les gaz de combustion ont généralement des températures comprises entre environ 1150 et 1500 C au moment où ils se mélangent avec la matière de cracking.
Les Figs. 3 et 4 des dessins représentent d'autres formes de réalisation de fours qui permettent de réaliser les buts de la présente invention. Dans chacun d'eux, un courant en forme de nappe de gaz de combustion chauds entre en mélange à grande vitesse avec un jet pulvérisé conique de matière de cracking à l'embouchure d'une chambre de réaction allongée.
La Fig. 3 représente une variante du four de la Fig. l, suivant laquelle le mélange combustible entre dans la chambre de combustion dans une direction parallèle à l'axe de la chambre de réaction et frappe une paroi d'extrémité de la chambre de combustion avant de changer de direction et de scouler par le pas- sage annulaire étranglé 20.
Dans le mode d'exécution de la Fig. 4, la chambre de com- bustion a un diamètre relativement grand et sa hauteur, entre les surfaces opposées du corps 12 et du couvercle 19, est la même que la hauteur du passage annulaire par lequel les gaz de combustion chauds s'écoulent pour entrer en mélange avec la matière première de cracking. Dans cette variante, le mélange de combustion frappe l'extrémité du corps 12, change de direction et forme des gaz chauds complètement brûlés qui convergent à une vitesse croissante pour entrer uniformément en mélange avec le jet pulvérisé de matière première de cracking à l'embouchure de la chambre de réaction 14.
La mise en oeuvre de la présente invention est davantage illustrée par les exemples suivants.
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EXEMPLE 1. -
Un four du type représenté sur la Fig. 1 comporte un corps en matière réfractaire 12 -diamètre extérieur 66 pouces (167,7 cm)] formant une chambre de réaction cylindrique intérieure 14 d'un diamètre de 12 pouces (30,5 cm) et d'une hauteur de 12 pieds (3,66 m). Un anneau en matière réfractaire 16 de même diamètre extérieur que le corps 12 et d'une hauteur de 16 pouces (40,6 cm) est monté à la partie supérieure du corps 12.
Un anneau en matière réfractaire plus petit 15, d'un diamètre in- térieur de 12 pouces (30,5 cm), et d'une hauteur de 12 pouces également, est monté axialement et sur le corps 12 et laisse un espace annulaire 17 d'une largeur de 8 pouces (20,3 cm) qui sert de chambre de combustion entre les deux anneaux et forme un passage annulaire étranglé 20 d'une hauteur de 4 pouces (10,2 cm) entre la partie supérieure de l'anneau 15 et la surface inférieure du cou- vercle 19. Au voisinage de l'extrémité fermée de l'espace de combus- tion 17, se trouvent six brûleurs 18, espacés uniformément et dirigés radialement.
L'hydrocarbure pour le cracking est amené sous pression par le tuyau 26 et par un ajutage et forme un jet pulvérisé conique creux d'un angle d'environ 80 , de telle sorte que le jet pulvérisé entre à un angle d'environ 40 par rapport à l'axe de la chambre de réaction. Les autres parties qui complètent le four sont de cons- truction connue.
Du gaz naturel de 1060 B.T.U. par pied cube par minute brûle avec 3120 pieds cubes d'air par minute. La pression qui règne dans la chambre de combustion équivaut à 61 pouces d'eau.
Une huile résiduelle d'une densité A.P.I. d'environ 3 est préchauffée à 650 F (343 C) et introduite sous pression par l'ajutage du tuyau 26 avec un débit de 2,62 gallons par minute. Le courant d'air qui traverse l'ouverture 27 le long du tuyau 26 s'élève à 100 pieds cubes par minute.
Les produits de décomposition formés dans la chambre de réaction 14 sont refroidis à 1200 F (649 C) par un jet pulvérisé
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d'eau à l'extrémité de sortie du four. Le carbone est finalement recueilli à l'aide d'un appareil classique de précipitation élec- trique.
Cette opération produit 4,5 livres de carbone par gallon de matière première de cracking introduit. Le carbone donne une solution sensiblement incolore quand il est extrait au benzène.
Pour illustrer l'avantage de l'opération ci-dessus, on reprend le procédé, mais en modifiant le four par l'enlèvement de l'anneau intérieur 15. Cette modification donne une chambre de combustion agrandie rendue partie intégrante de la zone de mé- lange, ce qui permet de mélanger une grande partie du combustible non brûlé avec la matière première de cracking avant la combustion complète du combustible. De cette façon, on n'obtient que 3,7 livres de carbone par gallon de matière première de cracking et l'extrait au benzène du produit est brun foncé.
Les carbones de ces deux procédés sont incorporés à des compositions identiques pour bandes de roulement de pneus qui sont vulcanisées dans des conditions semblables et éprouvées pour en déterminer la résistance à l'abrasion. Les éprouvettes préparées avec le carbone produit conformément à la présente invention accusent une perte d'épaisseur de 0,396 pouce (1,006 mm), tandis que les éprouvettes préparées avec le carbone produit par le procédé modifié perdent 0,513 pouce (1,296 mm) dans les mêmes conditions d'usure. Le caoutchouc préparé avec le carbone produit conformément à la présente invention-a une résistance à l'abrasion s'établissant à 129% de celle du caoutchouc contenant le carbone produit dans la chambre de combustion non séparée.
EXEMPLE 2 . -
Dans cet exemple, la hauteur de l'anneau 15 du four repré- senté sur la Fig. 1 est portée à 13 pouces (33,0 cm), ce qui laisse un passage étranglé d'une hauteur de 3 pouces (7,6 cm) entre cet anneau et le couvercle 19. Les brûleurs sont modifiés pour pouvoir utiliser un fuel oil n 2. La pression qui règne dans la chambre de combustion de 87 pouces d'eau. La matière première de cracking est une huile aromatique de recyclage ayant une densité
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A.P.I. de 12. On obtient un rendement de 4,1 livres de carbone par gallon de matière première de cracking. Le carbone est exempt de matières colorées pouvant être extraites par le benzène.
Dans une' opération parallèle, dans laquelle on omet l'anneau 15, on n'obtient que 3,3 livres de carbone par gallon d'huile utilisé etlextraction au benzène du carbone donne une grande quantité de matière brun foncé. Le caoutchouc contenant le carbone produit conformément à la présente invention a une résistance à l'abrasion s'établissant à 141% de celle du caoutchouc contenant le carbone produit dans la chambre de combustion non séparée.
EXEMPLE 3.-
On construit un four en se conformant à la Fig. 4, comportant un passage étranglé 20 d'une hauteur de 5 pouces (12,7 cm) et une chambre de réaction 14 d'un diamètre de 12 pouces (30,5 cm). Huit brûleurs sont disposés de manière à diriger les gaz et les flammes parallèlement à l'axe de la chambre de réaction contre la paroi d'extrémité inférieure de la chambre de combustion.
En fonctionnement, ces brûleurs consomment 3150 pieds d'air et 238 pieds cubes de gaz à 1075 B.T.U. par minute, pour produire les gaz de combustion chauds utilisés dans le procédé. La vitesse des gaz s'écoulant de la chambre de combustion 17 par le passage 20 est d'environ 2700 pieds par minute sur la base du volume des gaz froids et de 10. 000 pieds par minute sur la base du volume des gaz à la température atteinte.dans la chambre de combustion. La pression qui règne dans la chambre de combustion est égale à 95 pouces d'eau. Un résidu aromatique goudronneux, provenant de la distillation du pétro- le-et ayant une densité A. P.I. de 3,5, est chauffé et pulvérisé en cône dans la zone de mélange avec un débit de 9 gallons par minute.
Les gaz chargés de carbone produits dans la chambre sont re- froidis en un point distant de 7 pieds (213 cm) du point d'ad- mission du goudron. Le carbone obtenu ne contient pas de matières colorées susceptibles d'être extraite par le benzène. La surface du carbone, déterminée par l'adsorption d'azote, est de 169 mètres carrés par gramme.
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Le nombre de brûleurs à utiliser dans le four pour obte- @ir des résultats optima dépend du diamètre de la chambre de com- bustion. Les brûleurs seront espacés de manière que la chambre soit bien remplie de gaz en combustion afin d'assurer le courant uniforme désiré de gaz par le passage annulaire étranglé conduisant à la zone de mélange à l'embouchure de la chambre de réaction.
Bien que certains modes et détails d'exécution aient été décrits pour illustrer la présente invention, il est clair qu'on peut y apporter de nombres changements et de nombreuses modifica- tions sans sortir de son cadre.
REVENDICATIONS. l.- Procédé de production de carbon black, caractérisé en ce qu'on brûle en substance complètement un combustible hydrocar- boné pour former des gaz de combustion chauds, sensiblement exempts de combustible non brûlée on introduit ces gaz en un courant étran- glé à une vitesse accrue dans une zone de mélange à l'extrémité d'entrée d'une chambre de réaction allongée, et de là dans cette chambre, on répartit en substance uniformément une matière pre- mière de cracking.hydrocarbonée dans ces gaz dans la zone de mélan- ge et on décompose la matière première de cracking du mélange ré- sultant pour produire du carbone.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Carbon black production
The present invention relates to a process and an apparatus for the production of carbon black of fine particle size and of high reinforcing power for rubber, by the thermal decomposition of hydrocarbons. It relates more particularly to a process for the production of carbon black by the thermal decomposition of liquid hydrocarbons under conditions such that the carbon is formed entirely, or substantially entirely, from a hydrocarbon raw material and that the necessary heat. for the decomposition is brought about by the combustion of a second hydrocarbon raw material.
It is known to produce kiln carbon blacks by the decomposition of liquid hydrocarbons mixed with hot combustion gases, produced separately.
Among others, U.S. Patent No. 2,625,466 Ira Williams, essentially describes a process of this nature.
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Many of the properties of carbon produced by a kiln process are determined by the properties of the particular hydrocarbons from which the carbon is derived. For this reason, it is desirable that the carbon be formed only by the hydrocarbon raw material which gives carbon particles having the specific properties desired.
It has been found, however, that with the processes and furnaces generally used heretofore, a large part of the carbon obtained comes from the hydrocarbon fuel and not from the hydrocarbon raw material intended for cracking, called hereinafter. after "raw cracking material". The formation of carbon from the fuel is particularly marked when a material containing little free energy, such as methane, is used as fuel, because the slow combustion of the fuel results in mixing with the raw cracking material before its combustion. complete.
This slow combustion results not only in the formation of carbon from part of the fuel but also in the combustion of part of the hydrocarbon destined for cracking for the production of carbon black. These known processes are not only difficult to regulate, but also they give carbon blacks which we now know to be inferior to those which are possible. to get.
One of the important objects of the present invention is to provide a method and furnaces for carrying it out which allow carbon to be produced substantially entirely from the desired cracking raw material, although this is decomposed. mixed with hot gases formed by the combustion of a hydrocarbon fuel of different composition.
Another object is to provide a method and devices for uniformly distributing the cracking raw material in the hot flue gases, so that the decomposition of this material takes place in a controlled manner to form carbon of a high quality. given.
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Another important object of the present invention is to provide a process and furnaces for producing carbon black of extraordinarily fine quality and of particular interest for the reinforcement of rubber.
In accordance with the present invention, carbon black is produced by completely burning a suitable hydrocarbon fuel to form hot combustion gases, substantially free of unburnt fuel, by introducing these hot gases in a high velocity constricted stream into a mixing zone. limited located at the mouth or inlet end of an elongated reaction chamber, and thence into this chamber, uniformly distributing a raw hydrocarbon cracking material in the hot gases as they enter the mixing zone, and decomposing the cracking raw material of the resulting mixture to form carbon.
Decomposition takes place as the mixture passes through the elongated reaction chamber, and the decomposition products are cooled before being discharged from the furnace to undergo treatment to separate and collect carbon.
The hot combustion gases are formed by the complete combustion of a suitable fuel in a combustion chamber which preferably surrounds one end of the reaction chamber and communicates laterally with this end by a constricted annular passage surrounding and delimiting the zone. mixture. The hot gases therefore converge from all sides towards a central mixing zone, into which they enter at a greatly increased speed. As the gases enter this zone, the cracking raw material is symmetrically distributed in the hot gases, for example by injecting the cracking raw material in the form of a coaxial expanding cone of hydrocarbon. atomized or vaporized.
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Complete combustion of the fuel, which avoids the presence of unburnt fuel in the hot combustion gases, is favored by the supply of an abundant quantity of combustion air and by forcing the burning fuel mixture to lick the surface of the fuel. a hot refractory wall and change its path before it can leave the combustion chamber.
It has been found that the high speed of the stream of hot gases entering the mixing zone has a primary influence on the quality of the carbon obtained. The quality of the product can be changed by varying the speed of the gases by adjusting the the cross section of the throttled passage, for example by adjusting the height, if it is a throttled annular passage. For example, when using a 12 inch (30.5 cm) diameter reaction chamber to produce carbon from a heavy residual oil of A.P.I. 5, a constricted annular passage with a height of 6 inches (15.2 cm) subjected to a pressure of the combustion gases equal to 20 inches of water (507 kg / m2) gives a carbon having a surface area of 80 m2 by g.
When the passage height is reduced to 3 inches (7.6 cm) and the pressure of the combustion gases is increased to 90 inches of water (2286 kg / m2) the area of carbon produced increases to 200 m2 per g.
Other objects, features and advantages of the present invention, as well as the.-; preferred embodiments will emerge from the following detailed description and from the accompanying illustrative drawings in which the same reference numerals denote identical parts; these drawings:
Fig. 1 is a vertical sectional view of a preferred form of oven according to the present invention;
Fig. 2 is a horizontal cross-sectional view taken along line 2-2 of FIG. 1; and,
Figs. 3 and 4 are fragmentary vertical cross sections of upper portions of alternative ovens according to the present invention.
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In Figs. 1 and 2 of the drawings, the main body of the furnace shown is formed of a long solid cylinder, of refractory material, arranged vertically 12 and surrounded by a metal casing 13. The axial cylindrical passage 14 of this vertical cylinder constitutes the chamber of reaction in which the reaction takes place. As shown, the chamber 14 has a slight constriction in the vicinity of its upper end, but this feature can be omitted.
A thinner refractory ring 15 is axially mounted on the upper end of cylinder 12 and defines the top and the mouth or inlet of reaction chamber 14.
A second relatively thin refractory ring 16, of larger diameter and greater height than ring 15 is also mounted on the upper end of body 12, so as to leave a space 17 between rings 15 and 16 for fuel combustion. Several suction burners 18, six in the figure, open into the space 17 near its outer end of its bottom. These burners are mounted so that they direct the combustion gases and the flame radially towards the outer cylindrical surface of the ring 15.
A refractory material cover 19 is mounted above the upper part of the ring 16 and serves both to delimit the combustion space 17 and constricted 20 leading from this space into a mixing zone located between the cover 19 and the mouth of the reaction chamber, passing radially above the upper end of the ring 15.
The burners 18 are supplied with combustible gas by a distribution rail 21. A box 22 mounted in the upper part of the furnace contains the burners 18, and this box is supplied by a compressor 23 with air under sufficient pressure to maintain the desired airflow through the burners.
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The lower end of the reaction chamber 14 has a water spray device 24 which serves to cool the gas-carbon mixture exiting the chamber 14. The cooled mixture leaves the chamber 14 through the pipe 25 into the chamber. a collector (not shown).
A pipe 26, intended to introduce the raw cracking material, has at its end an injector which is disposed above the mouth of the reaction chamber 14 approximately in the axis thereof. This pipe passes through the box through an opening 27 made in the cover 19. The injector which is located at its end can be of any suitable type making it possible to inject the raw cracking material uniformly in the form of a conical jet. expanding, as shown diagrammatically at 28. It is designed so as to discharge substantially at the level of the lower surface of the cover 19.
The opening 27 is slightly larger than the pipe 26, which allows the air from the casing 22 to flow along the pipe and the injector and to cool them.
In operation, a mixture of air and hydrocarbon fuel is introduced with force into the combustion chamber 17 and burned therein, by the various burners arranged at the periphery of this chamber. Although six burners will ordinarily provide adequately uniform combustion gas production and distribution, a larger or smaller number of burners may be used if these are of suitable capacity and construction. At least four burners will be used in any arrangement in which the combustion chamber surrounds the reaction chamber. The burners can open in any desired direction towards the surface of a refractory wall of the combustion chamber.
The combustible mixture burns completely in chamber 17, and the resulting hot combustion gases flow through the constricted annular passage 20, and from all sides thereof, into the mixing space at the mouth of the chamber. combustion.
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The hot gases, converging at high speed in this space, meet the raw cracking material which is uniformly discharged therein in the form of a conical spray jet. The cone of the spray jet preferably forms a large angle so that the cracking material enters the hot gases before the gases enter the reaction chamber. The flue gases generally have temperatures between about 1150 and 1500 C as they mix with the cracking material.
Figs. 3 and 4 of the drawings show other embodiments of ovens which achieve the objects of the present invention. In each of them, a sheet-like stream of hot combustion gases mixes at high speed with a conical spray of cracking material at the mouth of an elongated reaction chamber.
Fig. 3 represents a variant of the furnace of FIG. 1, whereby the combustible mixture enters the combustion chamber in a direction parallel to the axis of the reaction chamber and hits an end wall of the combustion chamber before changing direction and flowing through the passage. sage strangled ring finger 20.
In the embodiment of FIG. 4, the combustion chamber has a relatively large diameter and its height, between the opposing surfaces of the body 12 and the cover 19, is the same as the height of the annular passage through which the hot combustion gases flow to enter. mixed with the raw cracking material. In this variant, the combustion mixture hits the end of the body 12, changes direction and forms completely burnt hot gases which converge at an increasing rate to enter uniformly into mixture with the spray of raw material of cracking at the mouth. of the reaction chamber 14.
The practice of the present invention is further illustrated by the following examples.
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EXAMPLE 1. -
An oven of the type shown in FIG. 1 comprises a body of refractory material 12 - outer diameter 66 inches (167.7 cm)] forming an inner cylindrical reaction chamber 14 having a diameter of 12 inches (30.5 cm) and a height of 12 feet ( 3.66 m). A refractory ring 16 of the same outside diameter as body 12 and 16 inches (40.6 cm) high is mounted to the top of body 12.
A smaller refractory ring 15, 12 inches (30.5 cm) inside diameter, and also 12 inches high, is mounted axially and on body 12 and leaves an annular space 17. 8 inches (20.3 cm) wide which serves as a combustion chamber between the two rings and forms a constricted annular passage 20 4 inches (10.2 cm) high between the top of the ring 15 and the lower surface of the cover 19. In the vicinity of the closed end of the combustion space 17 are six burners 18, evenly spaced and radially directed.
The hydrocarbon for cracking is supplied under pressure through pipe 26 and through a nozzle and forms a hollow conical spray pattern at an angle of about 80, so that the spray pattern enters at an angle of about 40 through. relative to the axis of the reaction chamber. The other parts which complete the furnace are of known construction.
Natural gas from 1060 B.T.U. per cubic foot per minute burns with 3120 cubic feet of air per minute. The pressure in the combustion chamber is equivalent to 61 inches of water.
A residual oil with an A.P.I. about 3 is preheated to 650 F (343 C) and introduced under pressure through the nozzle of pipe 26 at a flow rate of 2.62 gallons per minute. The current of air passing through opening 27 along pipe 26 amounts to 100 cubic feet per minute.
The decomposition products formed in the reaction chamber 14 are cooled to 1200 F (649 C) by a spray jet
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of water at the outlet end of the oven. The carbon is finally collected using a conventional electric precipitation apparatus.
This operation produces 4.5 pounds of carbon per gallon of raw cracking material introduced. The carbon gives a substantially colorless solution when it is extracted with benzene.
To illustrate the advantage of the above operation, the process is repeated, but by modifying the furnace by removing the inner ring 15. This modification gives an enlarged combustion chamber made an integral part of the heating zone. - lange, which allows a large part of the unburned fuel to be mixed with the raw cracking material before the fuel is completely burned. That way, you only get 3.7 pounds of carbon per gallon of raw cracking material and the benzene extract of the product is dark brown.
The carbons from these two processes are incorporated into identical tire tread compositions which are vulcanized under similar conditions and tested to determine abrasion resistance. Specimens prepared with carbon produced in accordance with the present invention show a loss of thickness of 0.396 inch (1.006 mm), while specimens prepared with carbon produced by the modified process lose 0.513 inch (1.296 mm) under the same conditions. wear. The rubber prepared with the carbon produced in accordance with the present invention has an abrasion resistance of 129% of that of the rubber containing the carbon produced in the unseparated combustion chamber.
EXAMPLE 2. -
In this example, the height of the ring 15 of the oven shown in FIG. 1 is increased to 13 inches (33.0 cm), which leaves a constricted passage of a height of 3 inches (7.6 cm) between this ring and the cover 19. The burners are modified to be able to use a fuel oil n 2. The pressure in the combustion chamber of 87 inches of water. The raw material for cracking is a recycling aromatic oil with a density
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A.P.I. of 12. A yield of 4.1 pounds of carbon per gallon of raw cracking material is obtained. The carbon is free from colored matter which can be extracted by benzene.
In a parallel operation, in which ring 15 was omitted, only 3.3 pounds of carbon were obtained per gallon of oil used and the benzene extraction of the carbon gave a large amount of dark brown material. The carbon-containing rubber produced in accordance with the present invention has an abrasion resistance of 141% that of the carbon-containing rubber produced in the unseparated combustion chamber.
EXAMPLE 3.-
A furnace is constructed according to FIG. 4, having a throttled passage 20 with a height of 5 inches (12.7 cm) and a reaction chamber 14 with a diameter of 12 inches (30.5 cm). Eight burners are arranged to direct the gases and flames parallel to the axis of the reaction chamber against the lower end wall of the combustion chamber.
In operation, these burners consume 3150 feet of air and 238 cubic feet of gas at 1075 B.T.U. per minute, to produce the hot flue gases used in the process. The velocity of the gases flowing from the combustion chamber 17 through the passage 20 is approximately 2,700 feet per minute based on the volume of the cold gases and 10,000 feet per minute based on the volume of the gases at the outlet. temperature reached in the combustion chamber. The pressure in the combustion chamber is equal to 95 inches of water. A tarry aromatic residue, from the distillation of petroleum and having an A. P.I. density of 3.5, is heated and sprayed into a cone in the mixing zone at a rate of 9 gallons per minute.
The carbon-laden gases produced in the chamber are cooled at a point 7 feet (213 cm) from the point of entry of the tar. The carbon obtained does not contain any colored matter capable of being extracted by benzene. The area of carbon, determined by nitrogen adsorption, is 169 square meters per gram.
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The number of burners to be used in the furnace to obtain optimum results depends on the diameter of the combustion chamber. The burners will be spaced so that the chamber is well filled with burning gas to ensure the desired uniform flow of gas through the constricted annular passage leading to the mixing zone at the mouth of the reaction chamber.
Although certain embodiments and details of execution have been described to illustrate the present invention, it is clear that many changes and modifications can be made to it without departing from its scope.
CLAIMS. 1. A process for the production of carbon black, characterized in that a hydrocarbon fuel is substantially completely burned to form hot combustion gases, substantially free of unburned fuel, these gases are introduced in a flow restricted to increased velocity in a mixing zone at the inlet end of an elongated reaction chamber, and thence into this chamber a hydrocarbon cracking raw material is substantially uniformly distributed in these gases in the zone mixture and the raw cracking material is decomposed from the resulting mixture to produce carbon.
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