DE1146215B

DE1146215B - Soot furnace

Info

Publication number: DE1146215B
Application number: DEC9475A
Authority: DE
Inventors: Joseph Stafford Boyd
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1953-06-10
Filing date: 1954-06-08
Publication date: 1963-03-28
Also published as: NL93330C; BE529364A; FR1097093A; GB743879A

Description

Rußofen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Furnaceruß aus flüssigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere zur Herstellung von sehr feinteiligem Ruß mit hoher Verstärkungswirkung auf Kautschukmischungen.Soot Furnace The invention relates to an apparatus for producing Furnace black from liquid hydrocarbons, especially for the production of very finely divided carbon black with a high reinforcing effect on rubber compounds.

Die Ruß erzeugende Industrie ist unablässig bemüht, die Rußqualitäten zu verbessern, insbesondere die Verstärkerwirkung auf natürliche und künstliche Kautschukmischungen zu erhöhen. Der Bedarf an solchen Rußqualitäten ist im Laufe der Zeit stark angestiegen wegen des Ausbaues der kautschukverbrauchenden Industrien, von denen die Automobilreifenindustrie den größten Teil des insgesamt hergestellten Rußes verwendet. Durch stärkere Motoren, automatische Kraftübertragung, höhere keisegeschwindigkeiten u. dgl. werden die Reifen mehr beansprucht und unterliegen einem höheren Verschleiß. Um diesen schärferen Anforderungen zu genügen, müssen die zu Reifen und anderen stark beanspruchten Gegenständen verarbeiteten Kautschukmischungen verbessert werden, was praktisch nur über den Ruß möglich ist.The carbon black producing industry is constantly striving to improve the carbon black qualities to improve, especially the reinforcing effect on natural and artificial Increase rubber compounds. The need for such carbon black qualities is ongoing increased sharply over time due to the expansion of the rubber-consuming industries, of which the automotive tire industry accounts for most of the total manufactured Soot used. With more powerful motors, automatic power transmission, higher circuit speeds and the like, the tires are subjected to more stress and are subject to greater wear. In order to meet these more stringent requirements, they have to go to tires and others highly stressed objects processed rubber mixtures are improved, which is practically only possible through the soot.

Die Rußqualität, unter der in erster Linie die Fähigkeit zu verstehen ist, Kautschukvulkanisaten eine hohe Abriebfestigkeit zu verleihen, läßt sich bekanntlich dadurch verbessern, daß die Zeit, innerhalb der der Ruß durch Dissozitation aus Kohlenwasserstoffen entsteht und einzelne Teilchen bildet, verkürzt wird. Die Reaktion soll daher in einer möglichst turbulenten Atmosphäre unter gleichzeitiger ausreichender Erwärmung und in Gegenwart zerteilender und verdünnender Gase durchgeführt werden, um ein Anwachsen der Teilchen zu verhindern.The soot quality, by which primarily the ability to understand is to give rubber vulcanizates a high abrasion resistance, can be known thereby improving the time within which the soot dissociates out Hydrocarbons are formed and individual particles are shortened. The reaction should therefore be in the most turbulent possible atmosphere while at the same time being sufficient Heating and in the presence of dividing and diluting gases, to prevent the particles from growing.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Erzielung starker Turbulenz und hoher Verdünnung bekannt. Nach dem Verfahren der USA.-Patentschrift 2 564 700 werden zwar die wünschenswerten Bedingungen bis zu einem bestimmten Ausmaß erhalten, die Hauptschwierigkeit dieses Verfahrens besteht aber darin, daß es auf jeden Fall erforderlich ist, die Heizkomponente durch die Seitenwandungen des Reaktors als Vormischung von Gas und Luft einzuführen. Dieses Verfahren weist insofern Nachteile auf, als das Mischen von Luft und Kohlenwasserstoffen nicht den Anforderungen entsprechend geregelt werden kann.There are already various methods of achieving high turbulence and high dilution known. Following the method of U.S. Patent No. 2,564,700 although the desirable conditions are maintained to a certain extent, The main difficulty with this procedure, however, is that it definitely does is required, the heating component through the side walls of the reactor as Introduce premixing of gas and air. This method has disadvantages in this respect when mixing air and hydrocarbons does not meet requirements can be regulated.

Es ist bereits bekannt, die verschiedenen Komponenten, nämlich Ausgangskohlenwasserstoffe, Heizgase und Luft, getrennt einzuführen. Durch ein derartiges Verfahren ist es nicht nur möglich, verschiedene Rußarten herzustellen, sondern es können auch unter höchster Ausnutzung der Komponenten bessere Rußqualitäten und höhere Ausbeuten erhalten werden.It is already known that the various components, namely starting hydrocarbons, Introduce heating gases and air separately. By such a procedure it is not only possible to produce different types of soot, but it can also be under the highest If the components are used, better carbon black qualities and higher yields can be obtained.

Für die Abscheidung von feinteiligem Ruß ist ein Rußofen bekannt, bei dem die düsenartige Einführung der Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas parallel zur Längsachse erfolgt und die Zufuhrleitung für die Brenngase fest und unbeweglich angeordnet ist. Die Vermischung von Brennstoff und Gas erfolgt bei diesem Rußofen bereits außerhalb des Verbrennungsraumes.A soot furnace is known for separating fine soot, in which the nozzle-like introduction of the combustion air with the combustion gas takes place parallel to the longitudinal axis and the supply line for the fuel gases is fixed and is arranged immovably. The mixing of fuel and gas takes place in this Soot furnace outside the combustion chamber.

Es wurde gefunden, daß ein Ruß mit erheblich verbesserten Eigenschaften, der sich insbesondere als Füllstoff für Kautschukmischungen mit wesentlich höherer Abriebfestigkeit eignet, erhalten werden kann, wenn die Vermischung von Brennstoff und Luft erst innerhalb des Verbrennungsraumes des Rußofens erfolgt.It has been found that a carbon black with considerably improved properties, which is particularly useful as a filler for rubber compounds with significantly higher Abrasion resistance suitable, can be obtained when mixing fuel and air only takes place inside the combustion chamber of the soot furnace.

Die Erfindung betrifft einen Rußofen, in. dem die Reaktionsbestandteile leicht und schnell ge- und vermischt werden können. Dieser Rußofen, der zwei Reaktionszonen unterschiedlichen Querschnitts und ringförmig um das zentrale ölzufuhrrohr angeordnete Düsen für ein brennbares Gas sowie eine tangentiale Luftzufuhr aufweist, ist gekennzeichnet durch die Anordnung der Düsen für das brennbare Gas an dem in die erste Reaktionszone reichenden Ende des Einsatzstückes, wobei sowohl die Düsen als auch das Einsatzstück mit dem zentralen Ölzufuhrrohr axial verschiebbar sind.The invention relates to a carbon black furnace in which the reaction components can be easily and quickly mixed and mixed. This soot furnace, the two reaction zones different cross-section and arranged in a ring around the central oil supply pipe Nozzles for a flammable gas as well as a tangential air supply is marked by the arrangement of the nozzles for the combustible gas in the first reaction zone reaching end of the insert, with both the nozzle and the insert are axially displaceable with the central oil supply pipe.

Die Erfindung wird durch die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellt Fig.1 einen Längsschnitt des Ofens und der Brenneranordnung gemäß der Erfindung dar; Fig. 2 zeigt das Ende der Luftkammer am Einlaßende des Ofens.The invention is explained in more detail by the drawing. In the drawing Figure 1 shows a longitudinal section of the furnace and the burner arrangement according to the invention dar; Figure 2 shows the end of the air chamber at the inlet end of the oven.

Der in Fig. 1 dargestellte Ofen enthält zwei zylindrische, miteinander in Verbindung stehende Reaktionsräume 10 und 12, die von einem Mantel 14 aus feuerfestem Material und einem Stahlgehäuse 16 umgeben sind. Die Kammer 10 als erster Reaktionsraum hat eine wesentlich größere lichte Weite als Länge, wobei der Durchmesser mindestens doppelt so groß ist wie der Abstand zwischen den Linien A und B. In direkter Verbindung durch einen gestrichelt gezeichneten Verbindungsabschnitt mit der Kammer 10 befindet sich die Kammer 12, deren lichte Weite weniger als die Hälfte der der Kammer 10 beträgt und deren Länge mindestens sechsmal so groß wie die lichte Weite ist. Gute Ergebnisse wurden mit einem Ofen erhalten, bei dem die erste Kammer 10 einen Durchmesser von 57,0 cm aufwies und die 20 cm lang war und bei dem die zweite Kammer 12 einen Durchmesser von 20 cm und eine Länge von 1,5 m aufwies. Ein Abzug 13 ist mit dem Ende der Kammer 12 verbunden und eine Sprühvorrichtung 15 in üblicher Weise vorgesehen.The furnace shown in FIG. 1 contains two cylindrical reaction spaces 10 and 12 which are connected to one another and which are surrounded by a jacket 14 made of refractory material and a steel housing 16. The chamber 10 as the first reaction space has a significantly larger clear width than its length, the diameter being at least twice as large as the distance between lines A and B. whose clear width is less than half that of the chamber 10 and whose length is at least six times as large as the clear width. Good results have been obtained with an oven in which the first chamber 10 was 57.0 cm in diameter and 20 cm long and in which the second chamber 12 was 20 cm in diameter and 1.5 m in length. A trigger 13 is connected to the end of the chamber 12 and a spray device 15 is provided in the usual manner.

Der Einlaß in die Kammer 10 kann den gleichen oder einen nur schwach verringerten Durchmesser besitzen und wird zum größten Teil von einem zylindrischen feuerfesten Einsatz 18 ausgefüllt, dessen Durchmesser größer ist als der der Kammer 12 und der eine axiale Leitung 20 enthält. Zwischen den Einlaßwandungen und dem Einsatz 18 wird auf diese Weise ein ringförmiger Raum 22 mit relativ geringem Querschnitt hergestellt. Der Einsatz 18 ist im Einlaß zentriert und kann durch übliche Mittel an dem Ofen befestigt sein. Am äußeren Ende des Einsatzes sind drei Tragstützen 24 vorgesehen, die mit dem Ofen durch lange, mit einem Gewinde zum Einstellen versehene Verbindungen 26 verbunden sind. Die jeweils verwendete Trägeranlage muß derart eingestellt sein, daß der Einsatz 18 in bestimmtem Maße bewegt und so das Volumen des offenen Raumes der Kammer 10 verändert werden kann.The inlet into the chamber 10 can have the same or a slightly reduced diameter and is for the most part filled by a cylindrical refractory insert 18, the diameter of which is greater than that of the chamber 12 and which contains an axial conduit 20. In this way, an annular space 22 with a relatively small cross-section is produced between the inlet walls and the insert 18. The insert 18 is centered in the inlet and can be attached to the furnace by conventional means. At the outer end of the insert there are three support posts 24 which are connected to the oven by long threaded connections 26 for adjustment. The carrier system used in each case must be set in such a way that the insert 18 can be moved to a certain extent and so the volume of the open space of the chamber 10 can be changed.

Um das brennbare Gas in die Reaktionskammer 10 zu fördern, ist ein ringförmiger Gaszerteiler oder -brenner 28 vorgesehen, der durch in die Kammer reichende Gasleitungen 30 gespeist wird. Dieser neue Brenner gemäß der Erfindung besitzt einen größeren Durchmesser als der Einsatz 18 und kann frei in den Ofen ein- und ausgeführt werden, unabhängig von der Bewegung des Einsatzes, um die Verbrennungsbedingungen zu verändern. In der äußeren Wandung des Brenners sind mehrere Öffnungen 32 vorgesehen, die in einer Richtung, üblicherweise in Ofenrichtung offen sind. Die Anzahl, Größe und Richtung der Öffnungen 32 kann innerhalb eines weiten Bereichs verändert werden.In order to convey the combustible gas into the reaction chamber 10 , an annular gas splitter or burner 28 is provided, which is fed through gas lines 30 reaching into the chamber. This new burner according to the invention has a larger diameter than the insert 18 and can be freely brought in and out of the furnace, independent of the movement of the insert, in order to change the combustion conditions. In the outer wall of the burner there are several openings 32 which are open in one direction, usually in the furnace direction. The number, size and direction of the openings 32 can be varied within a wide range.

Um den Einsatz 18 herum befindet sich außerhalb des Ofens die Luftkammer 34 mit diametral entgegengesetzten Leitungen 36, die tangential in die Vorrichtung führen.The air chamber is located around the insert 18 outside the furnace 34 with diametrically opposed conduits 36 which are tangential to the device to lead.

Die Anzahl der Einlaßleitungen kann nach Wunsch geändert werden, wobei es nur erforderlich ist, daß die Luft tangential in die Vorrichtung eingeführt wird, um dem Luftstrom große Wirbelgeschwindigkeit zu verleihen. Die Vorrichtung 34 ist mit der Eintrittsöffnung in die Kammer 10 durch. einen kurzen röhrenförmigen Abschnitt 38 verbunden, der an der Einlaßwandung und an dem Einsatz 18 so dicht angeordnet ist, daß keine Luft entweichen kann. Eine Platte 39 mit Öffnungen ist an einem dichten Gehäuse 40 um den Einsatz 18 vorgesehen.The number of inlet ducts can be varied as desired, all that is required is that the air be introduced tangentially into the device in order to give the air flow a high vortex velocity. The device 34 is through with the inlet opening into the chamber 10. a short tubular portion 38 is connected, which is arranged on the inlet wall and on the insert 18 so tightly that no air can escape. An apertured plate 39 is provided on a sealed housing 40 around the insert 18.

Ein Kohlenwasserstofföl-Rohmaterial-Injektor 42 reicht durch die axiale Leitung 20 des Einsatzes 18 in den Ofen hinein. Er besteht aus einer einzigen Leitung mit geeignet ausgebildeter Tülle am Abfüllende und ist vorzugsweise mit einer bifiuiden Zerstäubungskammer 44 geeigneter Art verbunden. Injektoren, bei denen das Öl durch ein Gas, wie Luft oder ein brennbares Gas, versprüht wird, sind bekannt.A hydrocarbon oil feedstock injector 42 extends through the axial conduit 20 of the insert 18 into the furnace. It consists of a single line with a suitably designed spout at the filling end and is preferably connected to a dual atomization chamber 44 of a suitable type. Injectors in which the oil is sprayed through a gas such as air or a combustible gas are known.

Es ist in der Praxis wesentlich, daß die oben beschriebenen Rohmaterialien in den Reaktor in einem versprühenden Gas eingeführt werden, da keine optimalen Ergebnisse erzielt werden, wenn das Öl nur durch Druck versprüht wird. Wenn jedoch leichtere Öle oder Dämpfe dem Verfahren zugeführt werden,, kann die Sprühvorrichtung weggelassen werden.It is essential in practice that the raw materials described above be introduced into the reactor in a spraying gas, as no optimal Results are obtained when the oil is sprayed by pressure only. But when Lighter oils or vapors can be added to the process using the spray device can be omitted.

Die Lage des ölinjekiors 42 und des Gasbrenners 28 ist etwas kritisch. Die Kohlenwasserstoff-Injektorspritze soll sich mindestens bis zur Ebene der stromabwärts gerichteten Fläche des Einsatzes 18 erstrecken und nicht mehr als 25 mm darüber vorstehen. Der Gasbrenner 28 kann bis zur Linie A zurückgezogen werden, erstreckt sich jedoch vorzugsweise über den Einsatz 18, wie dargestellt. Der Brennner darf im Hinblick auf die bei der Vormischung von Gas und Luft im Einlaß sonst eintretende Erschütterung nicht in den Hals 22 zurückgezogen werden. Beim Abziehen daraus würde die Mischung mit Explosivkraft brennen, wenn sie in die heiße Reaktionskammer eintritt, was äußerst unerwünscht ist.The location of the oil junction 42 and the gas burner 28 is somewhat critical. The hydrocarbon injector should extend at least to the downstream level facing surface of the insert 18 and not more than 25 mm above it protrude. The gas burner 28 can be withdrawn as far as line A, extends however, preferably via the insert 18, as shown. The burner is allowed with regard to what otherwise occurs when the gas and air are premixed in the inlet Concussion cannot be withdrawn into the neck 22. When pulling from it would the mixture burn with explosive force as it enters the hot reaction chamber, which is extremely undesirable.

Der Rußofen gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt: Der Ausgangskohlenwasserstoff wird in die Kammer 10 eingesprüht. Ein brennbares Gas fließt aus dem ringförmigen Brenner 28 in mehreren Strahlen. Durch den Einlaß 22 eingeführte Luft verbrennt das Gas und liefert den größeren Wärmeanteil zur Bildung des Rußes aus dem flüssigen Kohlenwasserstoff. In dem Ausmaß, in dem ein überschuß an Luft über die zum Abbrennen des gesamten Gases erforderliche Menge eingeführt wird, verbrennt auch ein Teil des Ausgangskohlenwasserstoffs.The soot furnace according to the invention operates as follows: The starting hydrocarbon is sprayed into the chamber 10. A combustible gas flows out of the ring-shaped Burner 28 in several beams. Air introduced through inlet 22 burns the gas and provides the greater part of the heat for the formation of the soot from the liquid Hydrocarbon. To the extent that there is an excess of air over which to burn off of the entire gas is introduced, a part also burns of the starting hydrocarbon.

Die Verbrennung in der ersten Kammer 10 verläuft äußerst turbulent auf Grund der besonderen Form dieser Kammer, der großen Geschwindigkeit der Verbrennungsluft und der Beschleunigung des Reaktionsproduktes durch einen Auslaß mit verringertem Querschnitt. Die Reaktion verläuft infolgedessen äußerst wirksam und ist zum größten Teil vollendet, ehe die gebildeten Produkte in die Kammer 12 mit verringerter lichter Weite gelangen. Es wird dabei ein Ruß mit sehr kleiner Teilchengröße und besonders wertvollen Eigenschaften gewonnen, durch die der Ruß eine ausgezeichnete Verstärkerwirkung erhält.The combustion in the first chamber 10 is extremely turbulent Due to the special shape of this chamber, the high speed of the combustion air and the acceleration of the reaction product through an outlet with reduced Cross-section. As a result, the reaction is extremely efficient and the greatest Part completed before the formed products enter the chamber 12 with reduced lights To get far. It becomes a soot with a very small particle size and special valuable Properties obtained through which the carbon black has an excellent reinforcing effect receives.

Die neue Apparatur gemäß der Erfindung kann leicht verändert werden und besitzt eine relativ einfache Konstruktion. Verschiedene Abänderungen der einzelnen Teile können leicht und schnell ausgeführt werden, um die wirksamste Kombination der Reaktionsbedingungen zur Herstellung bestimmter Arten von Ruß aus besonderen Rohmaterialien zu erhalten. So können das erforderliche Gas und die Luft auch durch das Einlaßende des Ofens eingeführt werden. Darüber hinaus kann der Punkt verändert werden, an dem Luft und das Verbrennungsgas miteinander umgesetzt werden, um in leichter Weise eine optimale Durchdringung zu erhalten.The new apparatus according to the invention can easily be modified and has a relatively simple construction. Various modifications of each Parts can be done easily and quickly to get the most effective combination the reaction conditions for the production of certain types of carbon black from special Obtain raw materials. So the required gas and air can also get through the inlet end of the furnace. In addition, the point can be changed where the air and the combustion gas are reacted with each other to produce in easier way to get optimal penetration.

Der Gasbrenner 28 kann beispielsweise in den Einlaß derart zurückgezogen werden, daß eine vollständige Verbrennung des Gases stattgefunden hat, ehe die Gase mit dem versprühten Ausgangskohlenwasserstoff in Berührung gelangen. Vorzugsweise kann der Gasbrenner auch hinter das Ende des Einsatzes 18, in Brennrichtung gesehen, reichen, um eine maximale Verbrennung unmittelbar um den versprühten flüssigen Kohlenwasserstoff zu erhalten.For example, the gas burner 28 can be retracted into the inlet in this way be sure that complete combustion of the gas has taken place before the gases come into contact with the sprayed starting hydrocarbon. Preferably the gas burner can also be placed behind the end of the insert 18, seen in the burning direction, are sufficient to achieve maximum combustion immediately around the sprayed liquid hydrocarbon to obtain.

Die besonderen Vorteile des Rußofens gemäß der Erfindung bestehen vor allem darin, daß im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen das versprühte Ausgangsöl von einer wirbelnden turbulenten Masse des brennenden Gases umgeben ist und die Verbrennung im wesentlichen vollendet ist, ehe die Gase aus dem ersten in den zweiten Verbrennungsraum eintreten.The particular advantages of the carbon black furnace according to the invention exist especially in the fact that, in contrast to the known devices, it was sprayed Starting oil is surrounded by a swirling turbulent mass of the burning gas and the combustion is substantially complete before the gases from the first in enter the second combustion chamber.

Das nachfolgende Beispiel belegt die ausgezeichneten Ergebnisse, die mit dem Rußofen gemäß der Erfindung erzielt werden können.The following example demonstrates the excellent results that can be achieved with the carbon black furnace according to the invention.

Ausgangskohlenwasserstoff Zuflußgeschwindigkeit ........... 1141/Std. Vorerwärmung ................. 260° C Versprühende Luft . . . . . . . . . . . . . . 7481/Liter Öl Brennergas ..................... 56,6 ms/Std. Theoretische Verbrennung ....... 55,8% Ausbeute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321,6 g/Liter Öl Schwärzegrad (Nigrometer) ...... 83,9 Farbtiefe ....................... 242 Oberfläche des Rußes (Jodads.-Methode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 M2/g Eigenschaften des Kautschuks in o/o einer SAF-Ruß-Standardmischung Zugfestigkeit ............................... 106 Modul bei 300'°/o Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Modul bei 40011/o Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Abriebfestigkeit ............................ 110 Schwund beim Spritzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Output hydrocarbon flow rate ........... 1141 / hr. Preheating ................. 260 ° C Spraying air. . . . . . . . . . . . . . 7481 / liter oil burner gas ..................... 56.6 ms / h. Theoretical combustion ....... 55.8% yield. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.6 g / liter of oil Blackness (nigrometer) ...... 83.9 Color depth ....................... 242 Surface of the soot (iodine . Method). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 M2 / g Properties of the rubber in o / o of a SAF carbon black standard mixture Tensile strength ............................... 106 Modulus at 300 ° / o elongation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 module at 40011 / o elongation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Abrasion resistance ............................ 110 Shrinkage when spraying. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Carbon black furnace with a first reaction zone whose Cross section is large in proportion to its length, and one adjoining it second reaction zone of smaller cross-section, the length of which is large in proportion to its cross section, a central one through an insert piece arranged in the furnace neck Oil feed pipe going through into the first reaction zone, ring-shaped around the insert and the central oil supply pipe arranged nozzles for a combustible gas and tangential Air supply through the annular space between the furnace neck and the central oil supply pipe carrying insert, characterized in that the nozzles for the combustible Gas at the end of the insert reaching into the first reaction zone and axially displaceable to the also axially displaceable insert with the central oil supply pipe are arranged.

2. Soot furnace according to claim 1, characterized in that the light The width of the first reaction zone is at least twice as great as its length.

3. Soot furnace according to claim 1 or 2, characterized in that the diameter of the Insert is larger than the inside width of the second reaction zone.

4. Soot furnace according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the nozzles for the combustible gas are at least flush with the insert, but do not protrude more than 25 mm beyond the insert into the first reaction zone. Documents considered: Belgian Patent No. 497,377; British Patent Nos. 607 296, 673 155; USA: Patent Nos. 2,292,355, 2,564,700, 2625466.