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Anlage zur Herstellung von Ruß Die Erfindung hat die Herstellung von
Ruß aus Erdölen oder Kohlenwasserstoffen aller Art wie Schieferöl. Steinkohlenteer
usw. zum Gegenstand.
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Bekanntlich lassen sich Rußsorten besserer Qualität durch schnelle
Krackung feinverteilter Kohlenwasserstoffe bei relativ hoher Temperatur in einer
turbulenten Atmosphäre herstellen, wobei die Wärmeübertragung zum Kohlenwasserstoff
mit sehr hoher Geschwindigkeit erfolgt. Ebenfalls bekannt ist, daß bei Verwendung
vorgeheizter Luft eine höhere Ausbeute erzielt wird, da zur Anhebung der Temperatur
der Gase auf die Kracktemperatur die. Verbrennung eines geringeren Anteils des eingesetzten
Kohlenwasserstoffs ausreicht. Die Gasgeschwindigkeit ist sehr hoch und liegt in
einigen Fällen oberhalb der Schallgeschwindigkeit; die zur Anwendung kommenden hohen
Temperaturen (insbesondere bei Reaktoren zur Herstellung von Ruß kleiner Teilchengröße)
bringen viele Probleme mit sich, von denen einige im folgenden berührt werden.
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Häufig besteht der Ofen vollständig aus feuerfestem Material.
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Bei der mit der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang stehenden deutschen
Patentanmeldung C 20560 IV a /22f besitzt der Ofen die Form eines metallenen Rohres,
welches außen mit Wärmeaustauschrippen versehen ist und wobei die ganze Anordnung
von einem metallenen Luftmantelrohr umschlossen ist.
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Gemäß dem Aufbau der Anlagen der genannten Patentanmeldung tritt Kühlluft
in den konzentrischen Zwischenraum zwischen dem äußeren Luftmantel und dem inneren
Rohr, das ist das Wärmeaustausch-oder Kühlrippenrohr, ein und strömt durch Strömungskanäle
zum vorderen Ende des Ofens. Hier kehrt die Luft um und gelangt zur Innenseite des
Kühlrippenrohres, welche den Ofen bildet; hier wird die Luft mit überschüssigem
Kohlenwasserstoff gemischt, welcher teilweise verbrennt; der Rest wird zu Wasserstoff
und Ruß gekrackt; das erzeugte heiße Abgas strömt zum rückwärtigen Ende des Ofens.
Die zwischen dem Mantel und dem Rippenrohr strömende Kühlluft wird zunehmend heißer,
während sie sich dem vorderen Ofenende nähert. Im Rippenrohr ist die Maximaltemperatur
erreicht, wenn die Verbrennungsreaktion vollständig ist, was, wie Versuche zeigten,
etwa 90 cm von dem Punkt entfernt der Fall ist, an welchem in einem Rippenrohr technischer
Betriebsgröße die Zufuhr des Kohlenwasserstoffs erfolgt. Die Gastemperatur im Innern
des Rippenrohres fällt von diesem Punkt zum Ausgang des Rippenrohres hin ab, da
durch die Kohlenwasserstoffkrackung Wärme absorbiert und durch das Rippenrohr Wärme
auf die in dem Mantel befindliche Kühlluft übertragen wird. Wird also die Länge
des Rippenrohres gesteigert, so nimmt die Vorheiztemperatur der Luft zu; auf Grund
der zusätzlichen Vorwärme der zur Verbrennung verwendeten Luft nimmt die Spitzentemperatur
innerhalb des Rippenrohres ebenfalls zu. Es ist daher einzusehen, daß die Länge
des Rippenrohres einer bestimmten Konstruktion durch die maximale Betriebstemperatur
des Materials, aus welchem dieses Rohr besteht, begrenzt wird. Hochtemperaturedelstahl
und Speziallegierungen halten Dauerbetriebstemperaturen zwischen 1045 und 1254°
C aus, solange sie keiner hohen mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind. Mit
den in der genannten deutschen Patentanmeldung beschriebenen Rippenrohrtypen wurden
bei einer Länge von etwa 6 m Luftvorheiztemperaturen von mehr als 545° C erreicht,
wobei die geschätzte Maximaltemperatur innerhalb des Rippenrohres nahe bei 1925
° C lag. Dessenungeachtet arbeitet das Rippenrohr relativ kühl (etwa 760° C) bei
einem Luft-Gas-Verhältnis von 15: 1 (9611 keal-Naturgas), solange dem Reaktor
kein Öl zugeführt wird und Sauerstoff im überschuß vorhanden ist. Unter diesen Bedingungen
tritt eine blaue Flamme auf, wobei sehr wenig Energie auf das Rippenrohr abgestrahlt
wird und der größte Teil der Wärme leitend durch den Gasfilm übertragen wird. Wird
Öl zugeführt, so tritt eine reduzierende Flamme auf, die einen großen Kohlenwasserstoffüberschuß
enthält. Unter diesen Bedingungen strahlen die gebildeten Rußpartikeln die Hitze
direkt
auf die Wand ab, wodurch eine Steigerung der Maximaltemperatur
des Rohres auf mehr als 10401 C bewirkt wird.
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Dementsprechend wird das Rippenrohr, je länger es ist, um so heißer
am Punkt der Maximaltemperatur. Es besteht damit eine Längenbeschränkung für das
Rippenrohr und die Vorheiztemperatur, auf welche die Mantelluft erhitzt werden kann.
Wird die Rippenrohrlänge gesteigert, so erfolgt erstens eine Steigerung der Ausbeute
auf Grund der Luftvorerhitzung; zweitens eine Steigerung der Ausbeute auf Grund
der längeren Krackreaktionszeit; drittens eine Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit,
da höhere Ölzufuhrgeschwindigkeiten möglich sind; allerdings wird das Rippenrohr
höheren Temperaturen ausgesetzt.
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Es ist zu bemerken, daß mit einer Steigerung der Länge des Rippenrohres
durch die möglichen höheren Ölzufuhrgeschwindigkeiten eine Tendenz zur Erniedrigung
der Reaktionstemperatur zwar in gewissem Umfang besteht, daß diese aber durch die
zusätzliche Luftvorerhitzung mehr als ausgeglichen wird und tatsächlich zu höheren
Rippenrohrtemperaturen führt.
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Es muß daher ein Weg gefunden werden, die Vorheiztemperatur der Luft
zu beschränken und dennoch die längere Reaktionszeit, welche die höhere Ölzufuhrgeschwindigkeit
zuläßt, zu erzielen. In gewissem Umfang kann dies durch eine Beschränkung des Hitzeüberganges
geschehen, indem die Innenfläche des Rohres mit einem Hochtemperaturüberzug, wie
Aluminiumoxyd oder Zirkonoxyd, versehen wird oder indem eine vorgesetzte feuerfeste
Auskleidung angebracht wird, wie dies früher vorgeschlagen wurde.
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Eines der Ziele der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren und eine
Anlage zur Herstellung von Ruß hoher Qualität bei beträchtlich verringerten Kosten.
Es handelt sich weiter um eine derartige Anlage, die sich leicht kontrollieren und
vergleichsweise einfach und billig installieren, betreiben und warten läßt.
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Genauer betrifft die Erfindung einen zylindrischen Ofen, bei dem nur
ein relativ kleiner mittlerer Teil aus feuerfestem Material besteht, während der
Rest aus Metall konstruiert und mit Luftkühlvorrichtungen versehen ist.
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Die Merkmale der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen, in denen
spezielle Ausführungsformen als Beispiele beschrieben sind, erörtert.
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Fig.l zeigt die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anlage; Fig.
2 zeigt das Schnittbild eines Teiles der Anlage von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;
Fig. 2 a ist eine Fortsetzung von Fig. 2 und zeigt den Rest der Anlage von Fig.
1; Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 von Fig. 2, und Fig. 4 und 5
zeigen die Querschnitte entlang den Linien 4-4 bzw. 5-5 von Fig. 2a.
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Im einzelnen bezeichnet die Ziffer 2 ein zylindrisches feuerfestes
Gehäuse, welches die Kammer, in der die Reaktion stattfindet, umschließt; diese
Kammer ist mit einer Sprühpforte 4 versehen, die eine Sprühdose 5 aufnimmt, welche
einen feinen Wassernebel 6 liefert; dieser ist dem zu Ruß und Wasserstoff zu krackenden
Öl entgegengerichtet.
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Das zylindrische feuerfeste Gehäuse 2 kann mit einem Metallmantel
auf ganzer Länge versehen sein oder aber mit einem Metallring an jedem Ende; in
jedem Falle ist dort ein ringförrniger Flansch 7 angebracht. Am vorderen und hinteren
Ende des feuerfesten Gehäuses 2 befindet sich ein zylindrischer Metallmantel 8 bzw.
10. Das innere Ende beider zylindrischer Metallmäntel 8 und 10 ist mit einem ringförmigen
Flansch 12 versehen, welcher mit den ringförmigen Flanschen 7 an den Enden des feuerfesten
Gehäuses 2 verschraubt ist.
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Im Innern der beiden Metallmäntel 8 und 10 ist ein Metallrohr 14 bzw.
15 angeordnet, dessen Innendurchmesser der gleiche wie der des feuerfesten Gehäuses
2 ist und das in gleicher Richtung verläuft.
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Als spezielles Beispiel können der vordere und der hintere zylindrische
Metallmantel 18 Zoll Innendurchmesser besitzen, in welchem die inneren Metallrohre
14 und 15 von 8 Zoll Innendurchmesser konzentrisch angeordnet sind. Die beiden inneren
Metallrohre 14 und 15 sind mit in Längsrichtung verlaufenden Kühlrippen 14a bzw.
15a versehen, die beispielsweise eine radiale Ausdehnung von 45 mm haben und in
einer Anzahl von 96 Stück vorhanden sind.
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In Fig. 3 erstreckt sich das linke Ende des inneren Metallrohres 14
bis kurz vor die danebenliegende Endwand 20 des äußeren zylindrischen Metallmantels
8 und bildet eine unverschlossene zylindrische Kammer, auf deren Zweck später hingewiesen
wird.
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Zwischen den äußeren diametral gegenüberliegenden Kanten der in Längsrichtung
verlaufenden Kühlrippen 14a und 15a und den Innenwänden der äußeren zylindrischen
Metallmäntel 8 und 10 ist ein metallener schneckenförmiger Streifen angeordnet,
wie bei 22 und 23 zu erkennen. Die Innenkanten dieser schneckenförmigen Streifen
22 und 23 sind mit den radialen Außenkanten der Kühlrippen 14a bzw. 15a in
geeigneten Abständen verschweißt, brauchen aber in keiner Weise fest mit den Innenflächen
der äußeren Metallmäntel 8 und 10 verbunden zu sein. Die metallenen schneckenförmigen
Streifen 22 und 23 helfen so beim Tragen der mit den Kühlrippen versehenen inneren
Metallrohre 14 und 15 in konzentrischer Anordnung zu den äußeren zylindrischen Metallmänteln
8 und 10 und in Richtung der Öffnung des zylindrischen feuerfesten Gehäuses 2 mit.
Die äußeren zylindrischen Metallmäntel 8 und 10
sind in der Nähe ihrer
inneren Enden mit einem tangentialen Lufteinlaß versehen, wie dies bei 30 bzw. 32
gezeigt ist. Beide können die Form eines Rechtecks von 76 - 305 mm im Querschnitt
haben.
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Der hintere zylindrische Metallmantel 10 ist mit einem tangentialen
Luftauslaß 34 versehen, der die gleiche Gestalt wie die zuvor genannten Lufteinlässe
30 und 32 haben kann.
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Aus der beschriebenen Anordnung ist ersichtlich, daß das zylindrische
feuerfeste Gehäuse 2 eine ziemlich hohe Temperatur erreicht und behält, während
die inneren Metallrohre 14 und 15 an den Enden dieses Gehäuses luftgekühlt sind,
das Rohr 14 im Gegenstrom und das Rohr 15 in der Stromrichtung, in welcher die Reaktion
fortschreitet.
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Wenn die Luft durch den tangentialen Lufteinlaß 30 des zylindrischen
Mantels 8 eintritt, erhält sie durch den von dem schneckenförmigen Streifen 22 gebildeten
Gang eine schraubenförmige Bewegung, wobei die Schnecke 22 dazu beiträgt, die Hauptmenge
der Luft in schraubenförmiger Bewegung um die in Längsrichtung verlaufenden Kühlrippen
14a zu halten, während ein kleiner Teil der Luft zwischen und entlang diesen Rippen
hindurchströmt. Die schraubenförmige
Bewegung der Luft, die mit
hoher Geschwindigkeit über die scharfen Kanten der Rippen hinwegverläuft, bewirkt
eine hochturbulente Strömung und vermindert so die Dicke des Luftfilms und steigert
den Wärmeübergang von den Rippen.
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Nach dem Durchgang durch die Länge des Schneckenganges kehrt die Verbrennungsluft
um und tritt in das äußere Ende des Metallrohres 14 ein und Gelangt beim weiteren
Durchgang in die Verbrennungszone, die sich im Einlaßende des vorderen inneren Metallrohres
14 befindet. Hier werden das Brenngas und das Kohlenstoff liefernde Öl eingeleitet,
und die Verbrennung setzt an dieser Stelle ein.
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Wie in Fig. ? gezeigt, wird das Brenngas durch eine Leitung 45, welche
durch eine Packung 46 in der Mitte der Endwand 20 des äußeren Metallmantels 8 hindurchläuft
und in die angrenzende unverschlossene zylindrische Kammer hineinragt, der Verbrennungszone
des Ofens oder Reaktors zugeführt.
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Mit dem inneren Ende der Brenngaszuleitung 45 ist eine Brennerscheibc
47 fest verbunden. Die Gaszufuhrleitung 45 ist mit radial angeordneten Brenngasöffnungen
49 versehen, die sich dicht an der Rückwand der Brennerscheibe 47 befinden.
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Die ölzulcitung ist bei 51 gezeigt und axial innerhalb der Brenngasleitung
45 angeordnet und verläuft durch das Zentrum der Brennerscheibe 47: die Ölzuleitung
endet in einer Sprühdüse 53, die nahe an der Brennerscheibe angeordnet ist.
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Die durch den Lufteinlaß 8 eintretende Luft mischt sich mit dem Brenngas,
welches durch die Brenngasleitung 45 zugeführt wird und durch die peripheren Öffnungen
49 unmittelbar vor der Brennerscheibe 47 austritt. Das Gas strömt mit der Luft zusammen
um die Brennerscheibe herum; durch die turbulente Strömung wird eine gleichförmige
Mischung erzielt. Die am inneren Ende der Ölleitung 51 und unmittelbar an der Vorderseite
der Brennerscheibe 47 montierte Sprühdüse 53 zerstäubt den flüssigen Kohlenwasserstoff
und bringt die feinen Tröpfchen an der Stelle in die Basis der Flamme, wo die Verbrennung
einsetzt.
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Der Brenner liefert ein gleichförmiges Gemisch von Brenngas und Luft,
indem er dieses Gemisch durch eine Verengung leitet, was eine hochgradige Turbulenz
erzeugt und auch nach der Zündung zu einem turbulenten Flammenwirbel führt.
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Wird ein verdampfter Kohlenwasserstoff verwendet, so kann die Sprühdüse
53 entfernt und durch ein am Ende offenes Rohr ersetzt werden.
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In jedem Fall wird das Öl zu Ruß und Wasserstoff gekrackt,
die mit den abströmenden Gasen durch das zylindrische feuerfeste Gehäuse 2 davongetragen
werden und die eintretende Verbrennungsluft erhitzen, wobei sie sich selbst abkühlen.
Durch die Düse 4 wird Löschwasser, unmittelbar nachdem das Abgas den ersten Wärmeaustauscher
verläßt und das feuerfeste Gehäuse 2 betritt, als feiner Nebel in den Gasstrom gesprüht
und beginnt zu verdampfen. Die Abkühlung des Abgases schreitet beim Durchgang durch
das rückwärtige innere Metallrohr 15 so weit fort, daß es anschließend in einer
Rußabscheideanlage, die von herkömmlicher Bauart sein kann, aufgearbeitet werden
kann.
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Wie gesagt, kehrt die Mantelluft am Vorderende des inneren Metallrohres
14 um und tritt in dieses ein. An diesem Punkt werden Brenngas und 01 durch die
Brennerscheibe 47 und die ölzerstäuberdüse 53 eingeleitet. Zunächst verbrennen
das Gas und ein Teil des Öls, um eine ausreichende Hitze für die Krackung des restlichen
Öls zu erzeugen. Die heißen Abgase strömen durch das innere Metallrohr 14 und in
das zylindrische feuerfeste Gehäuse 2, wobei die Krakkung fortgesetzt wird, bis
sie durch den Wasserzerstäuber 6 abgeschreckt und im zweiten Wärmeaustauscherabschnitt,
dem das innere Metallrohr 15 angehört, abgekühlt werden. Die kühleren Abgase gelangen
durch das innere Metallrohr 15, geben dabei weitere Wärme ab und verlassen den Ofen
durch ein mit der Rußaufbereitungsanlage verbundenes Rohr 60. Zusätzliche Kühlluft
wird durch den tangentialen Einlaß 32 dem konzentrischen Spalt zwischen dem äußeren
Metallmantel 10 und dem inneren Metallrohr 15 zugeführt. Diese Luft zirkuliert schraubenförmig
entlang dem schneckenförmigen Streifen 23 um die Rippen 15a herum und an
diesen entlang, wobei sie erwärmt wird. Die heiße Luft verläßt den Wärmeaustauscher
am tangentialen Auslaß 34 und wird, wie unten beschrieben, zur Bereitstellung der
Wärmeenergie im Verfahren verwendet.
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Die Länge des ersten Ofenabschnitts, welchem das innere Metallrohr
14 angehört, wird so weit beschränkt, daß die Luftvorheiztemperatur nicht
übermäßig hoch wird. Der zweite, durch das zylindrische feuerfeste Gehäuse gebildete
Abschnitt hat keinen Luftmantel und wirkt als Temperaturspeicher zur Erzielung einer
längeren Krackungszeit und gewährleistet so höhere ölzufuhrgeschwindigkeiten und
größere Ausbeuten. Am Auslaßende dieses feuerfesten Abschnitts können ein oder mehrere
Zerstäuber verwendet werden. Das innere Metallrohr 15 gehört dem dritten Abschnitt
an, der als Wärmeaustauscher wirkt und die heißen Gase mittels Luftkühlung abkühlt,
wodurch die zum Ablöschen erforderliche Wassermenge beschränkt wird oder fortfällt;
die Wirkung des Wärmeaustauschers ist eine doppelte, da er auch als Ouelle für die
verfahrensgemäß benötigte Wärme zum Trocknen feuchter Rußkörnchen und zum Vorheizen
des dem Ofen zugeleiteten Öls dient.
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Einige weitere Vorzüge der Wärmeaustauschküh-Iung sind folgende: 1.
Das durch die Rußabscheideanlage zu bewältigende Gasvolumen wird vermindert.
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2. Die Rußkonzentration im Gasstrom wird gesteigert, wodurch sich
der Ruß zu größeren Agglomeraten zusammenballt, und somit ein größerer Prozentsatz
des Rußes in den Sammelzyklonen aufgefangen werden kann.
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3. Der Taupunkt der Gase wird stark erniedrigt, womit die Ausschaltung
der Korrosion auf Grund einer Kondensation von Wasserdampf in der Abscheideanlage,
insbesondere im Verlauf des Anfahrens und des Abstellens der Anlage, gefördert wird.