DE1189221B

DE1189221B - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Russ

Info

Publication number: DE1189221B
Application number: DEC9192A
Authority: DE
Inventors: Rollins E Dobbin; Joseph S Boyd
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1949-04-19
Filing date: 1954-04-12
Publication date: 1965-03-18
Also published as: LU30248A1; DE976653C; FR1032562A; US2917370A; DE976988C; FR63865E; FR1097087A; NL88669C; GB733735A; BE517902A; BE528067A; BE497377A; NL76409C; GB699406A; GB743488A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ruß Gegenstand des Hauptpatentes 976 653 ist ein Verfahren zur Herstellung von Furnace-Ruß als Kautschukfüllstoff, bei dem ein zerstäubter flüssiger Kohlenwasserstoff in einen erhitzten Rußofen eingeführt und in einer turbulenten Verbrennungszone unter teilweiser Verbrennung zu Ruß dissoziiert wird mit dem Kennzeichen, daß als Ausgangsmaterial ein flüssiger Kohlenwasserstoff, der bei Atmosphärendruck nicht vollständig verdampfbar ist, folgender Zusammensetzung verwendet wird: a) Verhältnis 1i : C -= 0,75 bis 1,25: 1, b) mittleres Molekulargewicht von 225 bis 550, c) spezifisches Gewicht mindestens 1, d) Viskosität wenigstens 1,2° Engler bei 99° C, e) Koksrückstand nach C o lt r a d s o n über 1,5%. Hierbei wird der flüssige Kohlenwasserstoff zweckmäßig als Strahl in die Reaktionskammer mit einer linearen Düsengeschwindigkeit zwischen 180 und 305 m/Sek. eingeführt und durch ein Gas, insbesondere Luft, versprüht. Die Luftmenge wird vorteilhaft so bemessen, daß sie ausreicht, eine 25- bis etwa SOo/oige theoretische Verbrennung aller in die Kammer eingeführten brennbaren Materialien zu unterhalten. Die Verbrennungszone wird hierbei dadurch gebildet, daß unmittelbar an den Ölstrahl anstoßend und ihn umhüllend ein brennbares Gas und Luft zugeführt werden, wobei mindestens eines der Gase mit hoher Geschwindigkeit eingeblasen wird. Eine andere Möglichkeit zur Ausbildung der Verbrennungszone besteht darin, daß eine Anzahl divergierender Strahlen eines brennbaren Gases unmittelbar am Umfang des Ölstrahles zugeführt werden und die Gasstrahlen sowie die Ölstrahlen mit einer sich relativ langsam bewegenden Luftschicht umgeben werden.
Es wurde nun gefunden, daß die Rußausbeute des Verfahrens des Hauptpatents wesentlich verbessert werden kann und daß sich ferner bessere Rußqualitäten mit erhöhter Verstärkungswirkung auf Kautschuk erzeugen lassen, wenn nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung und der dazugehörigen neuen Vorrichtung gearbeitet wird. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Ruß nach Patent 976 653, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die aus dem in feinzerstäubter Form in eine hitzeisolierte Reaktionskammer eingeführten Kohlenwasserstoffstrahl und zusätzlichem Heizgas und der in die Kammer eingeführten Luft in einer turbulenten Verbrennungszone gebildete Flamme und die Verbrennungsprodukte gegen eine die Reaktionskammer in zwei Teile teilende, mit einer zentralen Bohrung versehene Wand prallen und auf den unverbrannten Teil des Öls konzentriert werden, so daß das öl zu Ruß dissoziiert wird, die Reaktionsprodukte durch die Öffnung in der Wand, deren Länge vorzugsweise kleiner als ihr Durchmesser ist, in den zweiten Teil der Reaktionskammer übergeführt werden, deren Durchmesser größer als der der Öffnung in der Wand ist, und schließlich der Ruß aus den gasförmigen Reaktionsprodukten in an sich bekannter Weise gewonnen wird. Die Verbrennungsluft wird hierbei vorzugsweise in einem spiralförmigen Wirbelstrom zugeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Ruß zeichnet sich dadurch aus, daß die wärmeisolierte Reaktionskammer durch eine hitzebeständige, mit einer zentralen Bohrung 16 versehene, die im Verbundbrenner gebildete Flamme und die Verbrennungsprodukte auf den aus der Zerstäubungsdüse austretenden ölsprühnebel zurückwerfende Prall-und Scheidewand 14 in zwei Teile geteilt ist. Vorzugsweise ist der Durchmesser der zentralen Bohrung 16 in der Prallwand 14 nur halb so groß wie der Durchmesser der Reaktionskammer.
Die Verbrennungskammer ist zur Einlaßöffnung konisch verengt, und zwar vorzugsweise unter einem Winkel von 45°. Die Einlaßöffnung selbst hat einen wesentlich geringeren Durchmesser als die Reaktionskammer. Das öl und das Gas werden in Achsrichtung der Reaktionszone zugeführt, und zwar dort, wo sich die Einlaßöffnung an den konischen Teil der Reaktionskammer anschließt.
Das Verhältnis zwischen den im Verfahren angewendeten Komponenten und die Form der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind kritisch. Es ist wesentlich, daß ein gasförmiges brennbares Material um den zerstäubten Ölnebel zugeführt wird und daß der Abstand des Ortes der öleinführung bis zu der Wand derart ist, daß die zurückgeworfenen Wirbel der Verbrennungsprodukte auf den Ölnebel konzentriert oder fokussiert werden. Diese kritischen Verhältnisse werden unten im Beispiel erläutert und sind, wie dort ausgeführt ist, allein für die Ausbeuteerhöhung von etwa 120 g Ruß je Liter öl verantwortlich. Anders ausgedrückt, heißt das, wird die in kritischem Abstand vorgesehene Wand entfernt, so werden bei sonst gleicher Versuchsführung und Apparatur im Mittel weniger als 408 g Ruß je Liter Öl erzeugt, während mit der Wand in einem Abstand vom Ort der Ölzufuhr, der nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser der Reaktionskammer, die Rußausbeute auf 539 g Ruß je Liter Öl und bei laufender Produktion auf im Mittel 503 g Ruß je Liter Öl erhöht wird.
Es ist wesentlich, daß die Wand in dem kritischen Abstand angebracht ist und die zusätzlichen Düsen für das brennbare Gas, die den ölsprühnebel umgeben, zusammen angewendet werden. Wenn die Wand zu weit von dem Ölsprühnebel entfernt ist, so wird keine merkliche Erhöhung der Rußausbeute erzielt. Aber auch die Anwesenheit der Wand im erforderlichen Abstand bewirkt keine Erhöhung der Ausbeute, wenn nicht die zusätzlichen Gasdüsen vorhanden sind.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung stellt also eine wesentliche Verbesserung der bisher für die Rußerzeugung verwendeten Vorrichtungen dar. Durch die Kombination eines Verbundbrenners einfacher und billiger Konstruktion, der sich leicht in den Ofen ein- und aus dem Ofen ausbauen läßt, mit der Schaffung eines beschränkten Ofenabschnittes durch eine Wand in kritischem Abstand vom Brenner ist es gelungen, alle Arten von Ruß aus flüssigen Kohlenwasserstoffen mit stark verbesserten Ausbeuten herzustellen, ein Ergebnis, das im Hinblick auf die bekannten Verfahren und Vorrichtungen durchaus überraschend ist. Die Merkmale der Erfindung werden nachstehend zum besseren Verständnis im Zusammenhang mit der Zeichnung, die eine typische Ausführungsform der neuen Vorrichtung darstellt, beschrieben. Die Zeichnung zeigt in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Der Reaktor oder Ofen besteht aus dem hitzebeständigen Material 10, das von einem metallischen Mantel 12 umgeben ist. Das Innere des Ofens, in dem die Reaktionen ablaufen, ist leer, bis auf die Wand 14, ebenfalls aus hitzebeständigem Material, die mit der Innenwand des Ofens verbunden ist und nur so dick zu sein braucht, um den Beanspruchungen im Ofen widerstehen zu können. Gewöhnlich ist ihre Dicke kleiner als 30 cm. Sie ist jedoch dick genug, damit ein zylindrischer Durchlaß 16 gebildet wird, dessen Durchmesser zweckmäßig nicht größer ist als etwa die Hälfte des Durchmessers der Reaktionskammer. Die Reaktionskammer wird durch die Wand 16 in die beiden Abschnitte 18 und 20 geteilt.
Der Abschnitt 18 ist an einer Seite bei 22 konisch, vorzugsweise unter einem Winkel von 45°, verengt und mit der Einlaßöffnung 24 versehen. Diese Einlaßöffnung hat einen beträchtlich geringeren Durchmesser als die Reaktionskammer und stellt den einzigen Ort für den Eintritt der Reaktionsteilnehmer dar.
Die Einlaßöffnung 24 hat eine merkliche Länge von wenigstens 100 mm. Zentrisch in dieser Einlaßöffnung ist der Kopf 26 eines Brenners angeordnet. Die Ausströmöffnung des Brenners liegt etwa am inneren Ende der Einlaßöffnung 24, so daß die Verbrennung des Gases etwa in dem an den konischen Teil 22 der Reaktionskammer anstoßenden Teil beginnt. Eine schneckenförmige Luftkammer 28 ist am Ende des Ofens angebracht. In diese Luftkammer tritt die Leitung 30 tangential ein.
Am anderen Ende ist der Ofen offen und mündet in den Kamin 32, der in üblicher, aber nicht dargestellter Weise mit Wasser besprüht wird, so daß weitere Umsetzungen der die Abteilung 20 verlassenden Reaktionsprodukte verhindert (eingefroren) werden. Der Kamin führt zu den üblichen Kühl- und Trennvorrichtungen.
Der Brenner, durch den die Rohstoffe und zusätzliches brennbares Gas zugeführt werden, besteht aus einem zentralen Ölrohr 36, das in einer Düse endet und konzentrisch von einem weiteren Rohr 34 umgeben ist und in dem Kopf 26 endet, der die Düse umgibt. Der Gaskopf 26 ist mit einer Anzahl voneinander in gleichem Abstand angeordneter Gasöffnungen auf seiner Peripherie umgeben. Die Gasöffnungen sind vorzugsweise nach außen in einem Winkel von 45 bis 90° zur Achse des Brennerrohres angeordnet.
An der anderen Seite ist das Rohr 34 mit dem Rohr 40 verbunden, durch das das brennbare Gas dem Brenner zugeführt wird. Das innere Rohr 36 ist mit einer Zerstäubungsvorrichtung 42 verbunden, die in üblicher Weise ausgebildet ist und zwei Zuführungen aufweist. Das zerstäubte Öl wird durch das innere Rohr 36 in den Abschnitt 18 als konischer Sprühnebel eingeführt. Gleichzeitig tritt aus dem Gaskopf 26 brennbares Gas aus, das mit der Luft zusammentrifft, die durch die Einlaßöffnung 24 zugeführt wird. Das zugeführte Luftvolumen ist größer als zur vollständigen theoretischen Verbrennung des Gases notwendig ist, reicht aber nicht aus, um das gesamte Öl zu verbrennen. Durch die zugeführte Luftmenge tritt eine 25- bis 50oloige theoretische Verbrennung sämtlicher brennbarer Materialien ein. Die zugeführte Luft hat einen großen Drall und mischt sich schnell mit dem brennbaren Gas unter Bildung einer stark turbulenten Verbrennungszone um den ölsprühnebel. Da Gas und Öl sehr nahe beieinander strömen, tritt eine schnellere Verbrennung ein unter Bildung heißer Verbrennungsprodukte, die durch die Wand 14 scharf auf die kritische Zone, in der die Wärme gebraucht wird, begrenzt werden.

Die Kombination der Wand 14 mit dem Brenner 26 scheint für die unerwarteten Wirkungen verantwortlich zu sein. Es werden auf diese Weise bei gleicher Rußqualität im Mittel etwa 120 g Ruß je Liter Öl und mehr beim Verfahren gemäß der Erfindung und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt als nach dem Verfahren des Hauptpatentes. Gemäß der Erfindung lassen sich aber auch neue Rußqualitäten in wirtschaftlich befriedigender Ausbeute erzielen, die nach dem älteren Verfahren nicht wirtschaftlich hergestellt werden können. Zur Veranschaulichung mögen die nachstehend aufgeführten vergleichenden Versuchsergebnisse dienen. Als Vergleichsstandard ist ein Ruß verwendet worden (Vulkan 3), der nach dem Verfahren des Hauptpatents in einer Vorrichtung hergestellt wurde, in der keine Wand unter optimalen Betriebsbedingungen verwendet wurde.

Ölmenge Zusätzliche o/o der theoretischen Ausbeute Eigenschaften von kaltem Kautschuk
Gasmenge Verbrennung in /o der Vergleichsprobe
1/Std, ms/Std. g Ruß/1 Öl Modulus 300 Abriebwiderstand
225,7 56,6 36,2 444 106 113
225,3 56,6 36,2 503 134 99
226,4 56,5 36,1 490 120 101
226,8 56,6 36 486 116 ! 99
227,6 70,7 35,9 532 119 101
227,8 56,5 36,8 494 134 112
226,0 56,5 38,1 495 130 104
225,3 56,5 36,1 541 130 104
Ohne beschränkte Zone
227,6 56,6 38,9 396 108 102
228,3 42,5 38,8 399 114 100
229,4 28,5 35,9 409 115 101
Ohne zusätzliches Gas
226,4 36 355 106 ' 102
224,2 38,4 307 - 105
Ohne beschränkte Zone und ohne zusätzliches Gas
223,8 - 36#3 355 - 113 natürlicher
226,0 I - I 38 ( 304 I - 115 Kautschuk

Der zur Rußherstellung verwendete Ofen hat folgende Abmessungen: Einlaßöffnung 24 ...... 203 mm lichte Weite, Kammerabteilung 18 .. 456 mm lichte Weite, 444 mm Länge vom Ausgang des Einlasses 24 bis zur Wand 14 Durchlaßöffnung 16 ... 228 mm lichte Weite, 228 mm Länge Kammerabteilung 20 .. 456 mm lichte Weite, 1142 mm Länge Aus diesen Zahlen ist ersichtlich, daß bei der Herstellung von Ruß in einem Ofen ohne beschränkten Brennabschnitt die Ausbeute an Ruß vergleichbarer Qualität im Mittel um etwa 120 g Ruß je Liter Öl niedriger liegt, als wenn die Wand 14 eingebaut ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Ofens gemäß der Erfindung ist darin zu erblicken, daß die Wand 14 sich im Ofenraum selbst hält und in der Kammer 18 verschoben werden kann, so daß der Ofen den verschiedenen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann und eine bequeme Regelung der Qualität des erhaltenen Rußes ermöglicht.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Ruß nach Patent 976653, dadurch gekennzeichn e t, daß die aus dem in feinzerstäubter Form in eine hitzeisolierte Reaktionskammer eingeführten Kohlenwasserstoffstrahl und zusätzlichem Heizgas und der in die Kammer eingeführten Luft in einer turbulenten Verbrennungszone gebildete Flamme und die Verbrennungsprodukte gegen eine die Reaktionskammer in zwei Teile teilende, mit einer zentralen Bohrung versehene Wand prallen und auf den unverbrannten Teil des Öls konzentriert werden, die Reaktionsprodukte durch die Öffnung in der Wand, deren Länge vorzugsweise kleiner als ihr Durchmesser ist, in den zweiten Teil der Reaktionskammer übergeführt werden, deren Durchmesser größer als der der öffnung in der Wand ist, und schließlich der Ruß aus den gasförmigen Reaktionsprodukten in an sich bekannter Weise gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsluft in einem spiralförmigen Wirbelstrom zugeführt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der zentralen Bohrung (16) in der Prallwand (14) nur halb so groß wie der der Reaktionskammer ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 965 291; britische Patentschriften Nr. 627 872, 661057; USA.-Patentschriften Nr. 2 368 827, 2 368 828.