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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Ruß mit
einer ersten zylindrischen, waagerecht angeordneten Kammer, deren Länge größer als
ihr Durchmesser ist, einer zweiten zylindrischen, waagerecht angeordneten Kammer,
deren Länge größer als ihr Durchmesser ist und deren Durchmesser größer als der
Durchmesser der ersten kammer ist, wobei die zweite Kammer in Verbindung mit der
ersten Kammer steht und axial mit dieser ausgerichtet ist, mit einer Einrichtung
zum Zuführen eines Eingabekohlenwasserstoffs längs der Achse der ersten Kammer,
einer Einrichtung für die Zufuhr eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases in die
erste Kammer durch ihre zylindrische Wand, ferner mit einer dritten zylindrischen,
waagerecht angeordneten Kammer, deren Länge größer als ihr Durchmesser ist und deren
Durchmesser kleiner als der Durchmesser der zweiten Kammer ist, wobei die dritte
Kammer in Verbindung mit der zweiten Kammer steht.
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Bei der herkömmlichen Herstellung von FEF- und GPF-Ruß, bei der Tangentialflammenverfahren
verwendet wurden, ist es üblich, denselben Rußofen zu verwenden und die Betriebsbedingungen
in diesem Ofen in Abhängigkeit von der Art des Rußes zu verändern, der hergestellt
werden soll. Um Ruß wirtschaftlich mit hoher Ausbeute herzustellen, müssen die Öfen
ein großes Innenvolumen besitzen, um den notwendigen Reaktionsraum vorzusehen. Bei
einem Ofentyp umfaßt die Reaktionszone einen ersten Abschnitt, der eine Länge besitzt,
die größer ist als ihr Durchmesser, z. B. einen Durchmesser von ungefähr 61 cm und
eine Länge von ungefähr 3,0 bis 3,4 m. Diesem ersten Abschnitt folgt ein zweiter
Abschnitt, der gleichfalls eine größere Länge als sein Durchmesser besitzt, dessen
Durchmesser jedoch größer als der Durchmesser des ersten Abschnittes ist, z. B.
einen Durchmesser von ungefähr 102 cm und eine Länge von 2,7 bis 3,0 m. Dieser erste
und zweite Abschnitt sind axial ausgerichtet miteinander verbunden.
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Es ist gleichfalls üblich, eine Rauchübertragungsleitung mit dem stromabwärtigen
Ende dieses zweiten Abschnittes zu verbinden, um den Rauch (Rußprodukt, das in Reaktionszonengasen
suspendiert ist) zu der Rußtrenneinrichtung zu übertragen. Diese Übertragungsleitung
besitzt gewöhnlich einen kleineren Durchmesser als sowohl der erste als auch der
zweite Abschnitt und ist axial ausgerichtet mit diesem ersten und zweiten Abschnitt
verbunden.
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Die oben beschriebene Anordnung und Ausrichtung des ersten Abschnittes,
des zweiten Abschnittes und dieser übertragungsleitung ergaben bei der Herstellung
von Ruß gute Ergebnisse. Wenn jedoch in dieser Art ausgebildete Öfen während längerer
Zeit in Betrieb sind, wurde festgestellt, daß sich einiger Ruß in dem unteren Teil
des stromabwärtigen Endes des zweiten Abschnittes des Ofens absetzt. Dieser abgelagerte
Ruß füllt den stromabwärtigen Endteil dieses zweiten Abschnittes unterhalb des Eintrittes
in die übertragungsleitung. Hierdurch werden das Volumen des Ofens verringert, die
Betriebsbedingungen verändert und die Qualität des Rußproduktes beeinträchtigt.
Ebenso neigt der Ruß, der sich absetzt, dazu, fest zu werden und festzubacken bzw.
zu sintern. Er kann abbröckeln und wird aus dem zweiten Abschnitt zusammen mit dem
Ruß ausgetragen, der in dem Rauch enthalten ist. Dieser flockige Ruß neigt dazu,
die Trennanlage zu verschmutzen und das Produkt zu verunreinigen. Der Hauptteil
dieses zusammengebackenen Rußes ist gewöhnlich so hart, daß er nicht abgestemmt
werden kann, ohne die feuerfeste Auskleidung des Ofens zu beschädigen. Dies macht
es notwendig, periodisch den Fluß des Eingabekohlenwasserstoffs in den Ofen abzuschalten
und den zusammengebackenen Ruß abzubrennen.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Lösung der obengenannten Probleme
durch einen Rußofen vor, bei dem das Ablagern von Ruß und das sich daraus ergebende
Zusammenbacken des abgelagerten Rußes ausgeschaltet wird. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß der Boden dieser dritten Kammer horizontal ausgerichtet auf
derselben Höhe wie der Boden dieser zweiten Kammer angeordnet ist.
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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nun an Hand
der Zeichnung beschrieben. F i g.1 ist ein Aufriß, teilweise im Schnitt, eines erfindungsgemäßen
Rußofens; F i g. 2 ist eine Ansicht dieses Ofens entlang der Schnittlinie 2-2 der
F i g. 1; F i g. 3 ist eine Ansicht dieses Ofens entlang der Schnittlinie 3-3 der
F i g.1; F i g. 4 ist eine Ansicht dieses Ofens entlang der Schnittlinie 4-4 der
F i g.1; F i g. 5 ist eine schematische Darstellung einer Rußanlage, in der ein
in F i g.1 gezeigter Ofen verwendet wird.
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In den F i g. 1 bis 4 enthält der Ofen, der in F i g.1 allgemein mit
10 bezeichnet ist, einen äußeren Stahlmantel 11, eine Zwischenschicht 12 aus einem
Wärmeisolationsmaterial und eine innere Auskleidung 13 aus feuerfestem Material.
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Dieser Ofen enthält einen ersten zylindrischen, horizontal angeordneten
Abschnitt, der eine erste Kammer 14 bildet, der eine Länge besitzt, die größer als
sein innerer Durchmesser ist. Mit dem stromabwärtigen Ende dieses ersten Abschnittes
ist ein zweiter zylindrischer, horizontal angeordneter Abschnitt verbunden, der
eine zweite Kammer 16 bildet, die ebenfalls eine Länge besitzt, die größer als ihr
innerer Durchmesser ist. Der innere Durchmesser der zweiten Kammer 16 ist größer
als der innere Durchmesser der ersten Kammer 14. Die zweite Kammer 16 steht in offener
Verbindung mit der ersten Kammer 14 und ist axial hiermit ausgerichtet. Ein dritter
zylindrischer, horizontal angeordneter Abschnitt, der eine dritte Kammer 17 bildet,
ist mit dem stromabwärtigen Ende dieses zweiten Abschnittes verbunden und steht
in offener Verbindung mit der zweiten Kammer 16. Die dritte Kammer
17
besitzt ebenfalls eine Länge, die größer als ihr Durchmesser ist, jedoch
ist ihr Durchmesser kleiner als der Durchmesser der zweiten Kammer. Es wird besonders
betont, daß der untere Teil bzw. der Boden der dritten Kammer 17 horizontal mit
dem Boden der zweiten Kammer 16 ausgerichtet ist.
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Axial angeordnet in der stromaufwärtigen Endwand der ersten Kammer
14 sind Einrichtungen mit einer Öffnung 22, um einen zu verarbeitenden Kohlenwasserstoff
entlang der Achse der ersten Kamemr einzuführen. Eine solche Einrichtung enthält
eine äußere Leitung 18, die eine Kohlenwasserstoffeinlaßleitung 19 umgibt, die eine
Einheit bildet, die an dem vorderen Ende des Ofens mit Hilfe der Einrichtung
21 befestigt ist, und die Leitungen 18
und 19 erstrecken sich in die
Öffnungen 22.
Zwei erste Einlaßleitungen 23, die in dem stromaufwärtigen
Endteil der Kammer 14 angeordnet sind, von denen sich eine durch den oberen Teil
der zylindrischen Wand der ersten Kammer 14 und die andere durch den unteren Teil
der zylindrischen Wand erstreckt, besitzen Einrichtungen, um Gase einschließlich
eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases in die erste Kammer im wesentlichen tangential
zu ihrer zylindrischen Wand einzuführen. Zwei zweite, ähnlich angeordnete Einlaßleitungen24
enthalten gleichfalls diese Einrichtungen, um ein freien Sauerstoff enthaltendes
Gas in die erste Kammer einzuleiten. Diese beiden zweiten Einlaßleitungen sind in
der Nähe und stromabwärts von den ersten beiden Einlaßleitungen angeordnet, und
jede dieser zweiten Leitungen besitzt einen größeren Durchmesser als jede der ersten
Leitungen. Die ersten Einlaßleitungen können beispielsweise jeweils einen Durchmesser
von ungefähr 14 cm und die zweiten Einlaßleitungen einen Durchmesser von ungefähr
17 cm besitzen. Beide Sätze der Einlaßleitungen werden verwendet, wenn FEF-Ruß hergestellt
werden soll, dagegen werden lediglich die größeren Leitungen 24 verwendet, wenn
GPF-Ruß hergestellt werden soll. Wenn gewünscht oder notwendig, können geeignete
Brenner in jeder der tangentialen Einlaßleitungen 23 und 24 angeordnet werden, um
eine Mischung aus Brennstoff und einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas einzuleiten.
Der Brennstoff kann flüssig oder gasförmig sein. Das freien Sauerstoff enthaltende
Gas kann Sauerstoff, Luft oder irgendein anderes Gas, das mit freiem Sauerstoff
angereichert ist, sein.
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Eine oder mehrere Leitungen 26 erstrecken sich radial durch die Wand
der zweiten Kammer 16 und enthalten Einrichtungen, um eine Abschreckflüssigkeit
in die zweite Kammer einzuführen. Diese Abschreckflüssigkeit ist normalerweise Wasser.
Die Kammer 16 kann gegebenenfalls mit mehreren Sätzen solcher Leitungen 26 ausgestattet
sein.
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Ein oder mehrere Abschreckflüssigkeitseinlässe 27 können gleichfalls
vorgesehen werden, um Abschreckflüssigkeit in das Innere der dritten Kammer 1.7
einzuleiten.
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In F i g. 5 ist eine gesamte Rußanlage gezeigt, bei der ein Ofen verwendet
wird, wie er in den F i g. 1 bis 4 dargestellt ist. Während des Betriebes dieser
Vorrichtung wird ein Eingabekohlenwasserstoff über die Leitung 19 oder über die
Leitung 29 eingeleitet, wobei er durch den Wärmeaustauscher 31 vorgeheizt und sodann
in diese Leitung 19 eingeführt wird. Zerstäuberluft aus der Leitung 32 kann verwendet
werden, um diesen Eingabekohlenwasserstoff zu zerstäuben. Ein Luftstrom wird über
die Leitung 37 in die Leitung 18 eingeführt, die diese Leitung 19 umgibt, um Ablagerungen
an kohlenstoffhaltigem Material an dem Ende der Leitung 19 zu verringern. Diese
Leitung kann als ein offenendiges Rohr enden oder mit beliebigen Düsen versehen
sein. Luft oder ein anderes freien Sauerstoff enthaltendes Gas wird durch die Leitung
34 geleitet, vorzugsweise in dem Wärmeaustauscher 36 vorgeheizt und dann durch die
Leitung 37 in die Sammelrohre 38 und 39 geleitet, um sie in diese erste Kammer 14
mit Hilfe von Einlaßöffnungen 23 und 24 einzuführen. Ventile 41 und 42 sind eingebaut,
um den Einlaß dieser Luft durch die Einlaßleitungen 23 und/oder 24 zu steuern. Es
können Leitungen angebracht werden, um einen Brennstoff gemischt mit der Luft in
die Leitungen 38 und 39 einzuführen. Der Brennstoff kann gegegebenenfalls durch
Wärmeaustausch mit dem Rauch in der Leitung 47 vorzugsweise strömungsabwärts von
dem Wärmeaustauscher 31 vorgeheizt werden.
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Entweder durch Verbrennung eines Teils des Eingabekohlenwasserstoffes
oder durch Verbrennung des Brennstoffes, der gemischt mit Luft eingeführt wird,
wird Wärme erzeugt, um den Eingabekohlenwasserstoff in Ruß umzuwandeln. In jedem
der beiden Fälle findet die Umwandlung auf Grund der Wärme statt, die von den heißen
Verbrennungsprodukten übertragen wird, die den Eingabekohlenwasserstoff in der ersten
Kammer 14 anfänglich umgeben. Die heißen Verbrennungsprodukte, die teilweise zersetzt
sind, und der gesamte nicht umgewandelte Eingabekohlenwasserstoff und andere Reaktionsprodukte
werden sodann in die zweite Kammer 16 mit größerem Durchmesser geleitet, wo die
Umsetzung des Eingabekohlenwasserstoffs weiterverläuft.
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Wenn FEF-Ruß erzeugt werden soll, so wird Abschreckwasser aus der
Leitung 43 in den Durchlaß 44 eingeführt, um es in diese zweite Kammer 16 über die
Leitungen 26 einzuleiten. Wenn GPF-Ruß hergestellt werden soll, so wird dieses Abschreckwasser
in diese dritte Kammer über die Leitungen 27 eingeleitet. Wenn keine Abschreckflüssigkeit
über die Leitungen 27 eingeleitet wird, wie es bei der Herstellung von FEF-Ruß der
Fall ist, so dient diese dritte Kammer als Übertragungsleitung.
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Unabhängig davon, ob das Abschreckwasser über die Leitungen 26 oder
27 eingeleitet wird, ist Ruß in der Nähe der Verbindung zwischen der Kammer 16 und
der dritten Kammer 17 vorhanden. Die gasförmigen Komponenten, die aus der Kammer
16 in die Kammer 17 einströmen, tragen im wesentlichen den gesamten Ruß, der in
der Kammer 16 vorhanden ist, mit sich fort und verhindern irgendeine wesentliche
Ansammlung hierin.
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Rauch aus dem Ofen zieht über die Leitung 46 ab, wird bei 36 und 31
im Wärmeaustausch geleitet, und sodann über die Leitung 47 in die Rußtrenneinrichtung
48 eingeführt, um das Rußprodukt hieraus wiederzugewinnen. Abzugsgase aus anderen
Reaktoren treten in das System durch die Leitung 28 ein.
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Das folgende Beispiel soll dazu dienen, die Erfindung noch weiter
zu erläutern. Beispiel Ein Ofen, wie er in den F i g. 1 bis 4 dargestellt ist, besitzt
die folgenden Abmessungen:
| Länge A (Kammer 14) . . . . . . . . . . . . . . 3,32 m |
| Länge B (Kammer 16) . . . . . . . . . . . . . . 2,76 m |
| Länge C (Kammer 17) . . . . . . . . . . . . . . 23 cm |
| Länge D (Kammer 17) . . . . . . . . . . . . . . 23,6 cm |
| Länge E (Kammer 17) . . . . . . . . . . . . . . 1,57 m |
| Länge von der stromaufwärtigen End- |
| wand der ersten Kammer 14 zu den |
| Abschreckeinlässen 26 . . . . . . . . . . . . 4,26 m |
| Länge von der stromaufwärtigen End- |
| wand der ersten Kammer 14 bis zu |
| den Abschreckeinlässen 27 . . . . . . . . 6,78 m |
| Innerer Durchmesser der ersten Kam- |
| mer 14 .......................... 61 cm |
| Innerer Durchmesser der zweiten Kam- |
| mer 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
102 cm |
| Innerer Durchmesser der dritten Kam- |
| mer 17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46 cm |
Dieser Ofen wird betrieben, um entweder FEF-oder GPF-Ruß unter den in der folgenden
Tabelle angegebenen Betriebsbedingungen und Produkteigenschaften herzustellen.
| Betriebsbedingungen FEF-Ruß- GPF-Ruß- |
| herstellung herstellung |
| Eingabeölqualität, BMCI 112 112 |
| Eingabeöleintragungs- |
| menge pro Zeit, l/Std... 1590 1510 |
| Eingabeölvorheiz- |
| temperatur, ° C ....... 288 288 |
| Tangentiale Luftmenge |
| pro Zeit, cbm/Std...... 4330 3540 |
| Temperatur der tangen- |
| tialen Luft, ° C ....... 260 260 |
| Menge der Umhüllungsluft, |
| cbm/Std. . . . . . . . . . . . . . 113 113 |
| Menge der Zerstäuberluft, |
| cbm/Std. ............. 127 113 |
| Rußprodukt |
| Ausbeute, kg/1 . . . .. . . . 0,55 0,56 |
| Photelometer ......... 92 92 |
| N2 -Oberfläche, qm/g .. 44 28 |
| Olabsorption, ccm/g ... 1,1 0,9 |
Während des Betriebs unter den obigen Bedingungen und anderen Betriebsbedingungen
über längere Zeiten hinweg wurde gefunden, daß keine Ablagerung von Ruß in der zweiten
Kammer 16 auftritt. Diese Abmessungen des Ofens können verändert werden. Es ist
lediglich erforderlich, daß die Länge der ersten Kammer 14 größer als ihr innerer
Durchmesser ist, d. h. daß diese Länge ungefähr 1,5- bis 10mal größer als dieser
Durchmesser ist, daß ferner die Länge der zweiten Kammer größer als ihr innerer
Durchmesser ist und daß der innere Durchmesser dieser zweiten Kammer größer als
der innere Durchmesser dieser ersten Kammer ist, d. h. die Länge dieser zweiten
Kammer ungefähr 1,2- bis 10mal größer als ihr innerer Durchmesser ist, wobei der
innere Durchmesser dieser zweiten Kammer ungefähr 1,1- bis 2,4mal so groß wie der
innere Durchmesser dieser ersten Kammer ist, und daß die Länge dieser dritten Kammer
gleichfalls größer als ihr innerer Durchmesser ist und daß dieser Durchmesser der
dritten Kammer kleiner als der innere Durchmesser dieser ersten Kammer ist, d. h.
daß die Länge dieser dritten Kammer zwischen 2- und 8mal größer als ihr innerer
Durchmesser ist, wobei der innere Durchmesser dieser dritten Kammer zwischen 0,4-
und 0,9mal so groß wie der innere Durchmesser dieser ersten Kammer ist.
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Zum Beispiel besitzt diese erste Kammer eine Länge von ungefähr 3,0
bis 3,4 m und einen inneren Durchmesser von ungefähr 61 cm, während diese zweite
Kammer eine Länge von ungefähr 2,7 bis 3,0 m und einen inneren Durchmesser von ungefähr
102 cm und diese dritte Kammer eine Länge von ungefähr 1,5 bis 1,7 m und einen inneren
Durchmesser von ungefähr 38 cm besitzt.