DE1467477C - - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuier- beschriebenen Vorverbrennungsreaktor mit tangentia-

lichen Herstellen von Öl-Furnace-Ruß mit weitgehend ler Flamme zur Herstellung von HAF, ISAF und

konstanten Werten für die spezifische Oberfläche nach SAF Ofenrußen, und zwar darum, weil man ein

BET durch thermische Zersetzung eines Kohlen- ausgezeichnetes Produkt erhält; anHere Reaktortypen

Wasserstoffes in einer durch Brenngase erzeugten Zone 5 können jedoch auch bei der Herstellung von Ofenruß

hoher Temperatur und Turbulenz. verwandt werden. · Zum Beispiel wird FEF (Fast

Es ist bekannt, Ruß durch Inberührungbringen Extrusion Furnace) Ruß in einem Reaktor hergestellt,

eines flüssigen Kohlenwasserstoffs, z. B. eines Gasöls, wie er z. B. in der USA.-Patentschrift 2 375 796 ge-

in hochdispergierter Form mit heißen Verbrennungs- zeigt ist.

gasen in einem Ofen herzustellen. Ein bevorzugtes io Bei der Herstellung von Ofenruß erfolgt der Be-Verfahren zum Herstellen von Ruß nach dieser trieb so, daß besondere spezifische Eigenschaften des Methode verwendet ein Reaktionssystem aus zwei erzeugten Rußes geregelt werden, z. B. die wirksame zylindrischen Abschnitten, wobei ein Abschnitt einen Oberfläche, die Struktur, der pH-Wert u. dgl. Zum großen Durchmesser, im weiteren als Verbrennungs- Beispiel stellt diejenige Oberfläche, die durch die Abkammer bezeichnet, und einen länglichen Abschnitt 15 sorption von Stickstoff meßbar ist, eine besonders mit erheblich kleinerem Durchmesser, im weiteren als wichtige Eigenschaft von Ruß dar; dies ist eine der Reaktionskammer bezeichnet, aufweist. Die beiden Eigenschaften, die verwandt wird, um unter den verKammern sind koaxial und in offener Verbindung schiedenen erhältlichen Rußarten zu unterscheiden, miteinander angeordnet. Der Verbrennungsraum weist Zur Veranschaulichung sei beispielsweise gesagt, daß wenigstens einen tangentialen Einlaß auf, durch den so Fast Extrusion Furnace (FEF) Ruß eine wirksame ein Brenngemisch aus Brennstoff und Oxydationsmittel Oberfläche von etwa 44 m²/g, bezogen auf die Stickzur Bildung eines Turbulenzkörpers aus heißem Ver- Stoffabsorption, aufweist; High Abrasion Furnace brennungsgas eingelassen wird, das in einer praktisch (HAF) Ruß besitzt eine wirksame Oberfläche von spiralförmigen Bahn in und aus der Reaktions kammer etwa 76 m²/g; Intermediate Super Abrasion Furnace geführt wird, wodurch eine Zone auf einer Ruß- 25 (ISAF) Ruß besitzt eine wirksame Oberfläche von bildungstemperatur gehalten wird. Eine in Längs- etwa 108 m²/g; und Super Abrasion Furnace (SAF) richtung und axial in die Verbrennungskammer ein- Ruß besitzt eine wirksame Oberfläche von etwa geführte Beschickung reagiert und bildet Ruß. Ein 136 m²/g.

Ofen, wie er oben beschrieben wurde, ist in der USA.- Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß Patentschrift 2 564 700 dargestellt und wird zur Er- 30 der statische Druck im Rußreaktorabschnitt einer zeugung von HAF (High Abrasion Furnace) Ruß Ofenrußanlage einen erheblichen Einfluß auf die verwandt. Hier genannte Brennstoffe umfassen ein wirksame Oberfläche des erzeugten Rußes besitzt, beliebiges brennbares Kohlenwasserstoffgas oder ver- Diese Wirkung kann durch Veränderung von anderen dampfte Kohlenwasserstoffe, wie z. B. ein verdampftes Verfahrensvariablen geregelt oder gesteuert werden, Kohlenwasserstofföl. Unter Verbrennungsgasen sind 35 z. B. der Verweilzeit und der Temperatur, indem das solche Gase zu verstehen, die aus chemischen Reak- Volumen des Reaktors erhöht oder vermindert wird tionen beim Verbrennen unter den besonderen Bedin- und indem das Verhältnis von Luft zu Gas, das den gungen, die in der Verbrennungszone herrschen, tangentialen Öffnungen der Vorverbrennungskammer hervorgehen. Die Verbrennungsgase und der Reak- zugeführt wird, verändert wird, sowie durch Verändetionsteilnehmer Kohlenwasserstoff oder der Kohlen- 40 rung des gesamten Durchsatzes an Materialien durch Wasserstofferzeuger werden durch die Verbrennungs- den Reaktor. Es ist jedoch nicht immer zweckmäßig kammer und die Reaktionskammer so geführt, daß oder wünschenswert, diese Betriebsvariablen zu versie ausreichend ringförmig voneinander getrennt sind, ändern, und unter gewissen Umständen war· es nicht so daß eine Kohlenstoffablagerung auf den Zylinder- möglich, die wirksame Oberfläche des erzeugten wänden verhindert wird. Die tangential eingeführte 45 Rußes ohne eine intensive Modifikation der zur Her-Mischung wird bei ausreichender -Geschwindigkeit stellung des Ofenrußes verwandten Einrichtung zu eingeblasen und strömt spiralförmig innen in der regeln. Ofenrußanlagen, die in verschiedenen Höhen Verbrennungskammer und im wesentlichen schrauben- angeordnet sind, erforderten erhebliche Unterschiede förmig durch die Reaktionskammer. Diese Gase be- in den Reaktorabmessungen, damit die aus den in sitzen eine ausreichende Zentrifugalkraft, daß sie eine 50 verschiedenen angeordneten Reaktoren stammenden Schicht des Verbrennungsgases nahe der Reaktions- Verfahrensprodukte von gleicher Qualität, also mischkammerwand halten und daher eine Ablagerung von bar waren.

Kohlenstoff auf dieser Wand verhindern. Der Reak- Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und tionspartner Kohlenwasserstoff wird in Ruß durch auf Einrichtungen zum Herstellen von Ofenruß mit Wärme umgewandelt oder zersetzt. Die Wärme wird 55 im wesentlichen konstanten, vorbestimmten Oberauf den Kohlenwasserstoff durch Strahlung übertragen flächeneigenschaften. Auch richtet sich die Erfindung und/oder indem an der Zwischenfläche zwischen Koh- auf ein Verfahren und auf Einrichtungen zum Regeln lenwasserstoff und Verbrennungsgasen die Gasströme des Druckes in einem Rußreaktor bei einem bestimmgemischt werden. Das Verfahren wird allgemein als ten, im wesentlichen konstanten Wert. Auch hat die tangentiales Flammverfahren der Vorverbrennungsart 60 Erfindung weiterhin ein Verfahren und Einrichtungen bezeichnet. Nach dem Austreten aus dem Reaktor zum Gegenstand, durch die eine Ofenrußanlage mit wird das gasförmige, den Ruß tragende, ausströmende im wesentlichen konstanten Reaktordruck betrieben Medium gekühlt, und der Ruß wird hiervon mit üb- wird, der geringer ist als der gewöhnliche Atmosphären-Iichen bekannten Mitteln getrennt, indem die aus- druck des jeweiligen Ortes.

tretende Strömung durch Filtersäcke geführt wird oder 65 Die Erfindung geht neben dem genannten Stand der mittels Durchführen der austretenden Strömung durch Technik aus von einem Reaktorverfahren mit gegeneinen elektrischen Abscheider oder durch Zyklon- über dem Atmosphärendruck erhöhtem, überwachtem Separatoren. Bevorzugt verwendet man den oben Druck durch Kontrolle von Beschickung und Austrag,

wie es in der USA.-Patentschrift 2 971 822 beschrieben ist und ist demgegenüber dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Reaktionsgefäß so konstant als möglich und im Bereich von 0,76 bis 0,95 ata gehalten wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Ruß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, die aus einem an sich üblichen Reaktor für die Rußhersteilung besteht, ist dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaß der Reaktors zusätzlich ein auf den absoluten Druck im Reaktionsgefäß ansprechender Druckfühler, weiterhin ein Ventil und ein die . Strömungsgeschwindigkeit des Abstrcmes aus dem ι Reaktionsgefäß erhöhendes Gebläse vorgesehen sind, wobei der Druckfühler mit einem Druckregler ver- : bunden ist, der so eingestellt ist, daß das Ventil durch diesen Regler beim Absinken des Druckes im Reaktionsgefäß unter einen vorbestimmten Wert in Verschlußrichtung bewegbar ist und wobei der Druckregler außerdem mit dem Antrieb des Gebläses verbunden ist und das Gebläse eingeschaltet oder beschleunigt ist, wenn der Druck im Reaktionsgefäß über einen vorbestimmten Wert ansteigt.

Dia Eigenschaften der wirksamen Oberfläche des Rußes sind besonders vom Druck innerhalb des Reaktors in einem Bereich von etwa 0,7 bis 1,05 kg/cm² (absolut) abhängig. Der Druck beeinflußt zwar die Oberflächeneigenschaften von Ruß im Gebiet der höheren Drücke ebenfalls, z. B. zwischen 1,05 und 3,15 kg/cm², diese Wirku-.g ist jedoch nicht so beherrschend und kleine Änderungen kann man gewöhnlich hinnehmen, da andere Variable so eingestellt werden können, daß Ruß mit den gewünschten Oberflächeneigenschaften hergestellt werden kann. Es wurde gefunden, daß R.uß mit im wesentlichen konstanten Oberfiächeneigenschaiten unabhängig von den Veränderungen im atmosphärischen Druck erzeugt werden kann, wenn der Druck im Reaktor einer Ofenrußanlage auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann. Wird der Druck im Reaktor konstant oder im wesentlichen konstant, gehalten, so können andere Betriebsvariable über einen erheblichen Bereich verändert werden, ohne daß die Oberflächeneigenschaften des erzeugten Rußes.nachteilig beeinflußt werden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll diese nun beispielsweise mit bezug auf die Zeichnung erläutert werden, in der in einem Fließbild das erfindungsgemäße Verfahren erläutert ist.

Die Zeichnung erläutert einen Rußofen der Vorverbrennungsbauart mit tangentialer Flamme, der erfindungsgemäß betrieben wird und der besteht aus einem isolierten Mantel 10, der eine Verbrennungskammer 11 aufweist, einem Reaktorabschnitt 12 und einem Abschreckabschnitt 13. Bei der Reaktionspartnerbeschickung kann es sich um öl, Gas oder eine Mischung von öl und/oder Gas handeln, und Luft tritt in die Vorverbrennungskammer axial über die Leitung 14 ein. Eine brennbare Mischung aus Gas und Luft wird tangential in die Vorverbrennungskammer 11 durch die Leitungen 15 und 16 geblasen. Die Reaktion wird durch ein Versprühen von Wasser beendet, das in die Reaktionskammer 12 über bei 17 und 18 gezeigte Leitungen eingeführt wird. Die Länge des Reaktionsabschnittes wird durch den Punkt, wo das der Abschreckung dienende Wasser eingeführt wird, bestimmt. Eine Druckanzapfung 19 ermittelt den absoluten Druck im Reaktor, im wesentlichen unmittelbar hinter dem Abschreckabschnitt 13, und der Übertrager für absoluten Druck 21 übermittelt ein dem absoluten Druck entsprechendes Signal auf den registrierenden Absolutdruckregler 22. Der absolute, im Reaktor 12 aufrechtzuerhaltende Druck wird durch die Stellung des Vorgabepunktes 23 des Reglers festgelegt. In Strömungsrichtung hinter der Druckanzapfung 19 ist ein Ventil 24 in der Leitung 25 eingebaut, das eine nicht isolierte Verlängerung der Reaktionskammer 12 und des Abschreckabschnitts 13 umfaßt. Das Ventil 24 istmit dem Regler für den Absolutdruckregler 22 verbunden. Ein Gebläse 26 befindet sich gewöhnlich, jedoch nicht notwendigerweise, auch in der Leitung 25 in Strömungsrichtung unterhalb des Ventils 24 und wird durch geeignete Einrichtungen, z. B. eine Dampfturbine 27 oder eine andere Kraftmaschine, angetrieben. Ein Ventil 28 in der Dampfeinlaßleitung 29 ist ebenfalls mit dem Regler 22 verbunden. Der Abdampf aus der Dampfturbine 27 wird

ao über die Leitung 31 abgeführt. Die Leitung 25 führt zu einem Rußgewinnungsgerät 32, das in einer Filtereinrichtung bestehen kann, aus der Abgase über einen Kamin 33 und das Rußprodukt über ein Sternventil 34 und die Leitung 35 abgezogen werden.

Das Ventil 24 und das Gebläse 26 können durch ein Propellergebläse in der Leitung 25 ersetzt werden. Bei dieser Abänderung der Erfindung stellt der Regler 22 die Blattsteigung der Schaufelblätter in einer Richtung ein, wodurch der Druck im Ofen abgesenkt oder vermindert wird. Diaphragmentventile ähnlich den mit 24 und 28 bezeichneten können verwandt werden, um bekannte Propellereinrichtungen mit variabler Blattsteigung zu betreiben.

Im weiteren wird die Erfindung an Hand von Beispielen erläutert.

Beisρiel I

Ein Beispiel, wie ein in der Zeichnung dargestelltes System bevorzugt betrieben werden soll, wird nun beschrieben. Der Druckregler 22 besitzt einen Bezugspunkt, der im Bereich zwischen 0,7 und 1,4 ata wirksam wird, und ist auf 0,786 ata eingestellt und liefert 0,821 ata im Reaktor, da ein Druckabfall von der Reaktormitte zum Druckpunkt strömungsabwärts hinter dem zweiten Abschreckpunkt auftritt. Der Regler liefert die Luft an das Diaphragma der Ventile 24 und 28, und zwar in einer Menge, die durch das Verhältnis des vom Absolutdruckübertrager 21 empfangenen Signals auf das Ventil des vorgegebenen Punktes 23 anzeigt. Das Ventil 24 ist so eingestellt, daß es bei 0,63 ata Luftdruck weit offen ist und bei 0,21 ata geschlossen ist. Das Ventil 28 ist so eingestellt, daß es bei einem Druck von 1,05 ata weit offen ist und bei 0,63 ata geschlossen ist. Wenn der gemessene Druck des Reaktors größer ist als der eingestellte Druck, so steigt die den Ventilen 24 und 28 gelieferte Instrumentenluft. Wenn der gemessene Druck gerirtger als der vorgegebene Druck ist, so nimmt die Instrumentenluft zu den Ventilen 24 und 28 hin ab. Beträgt der atmosphärische Druck 0,93 ata, so liegt der Druck hinter dem Gebläse 26 und vor dem Rußgewinnungsgerät 32 (Beutelfilter) bei 0,945 ata.

Vorstehendes gilt für einen Reaktor mit einem Innendurchmesser von 7,6 cm (3 inch), der 0,61 cm lang ist und eine Vorverbrennungskammer mit 10,2 cm in der Länge und 20,3 cm im Durchmesser aufweist; die öl-

förderung beträgt 22,61/Std.; 200 Normkubikfuß Mantelluft pro Stunde wurden mit der ölbeschickung bei eingeführt; 400 Normkubikfuß Brenngas pro Stunde wurden mit 6000 Normkubikfuß Luft vermischt, die über die Leitungen 15 und 16 eingeführt wurde. Ruß wurde in einer Menge von etwa 7,15 kg/Std. erzeugt. Die Fläche der Oberfläche (Stickstoffadsorption) beträgt etwa 1,73 m²/g.

Beispiel II

Eine Reihe von Versuchen wurde mit einem Reaktor unternommen, der eine Vorverbrennungskammer von 10,2 cm Länge und 20,3 cm Breite aufwies und mit einem Reaktor von 63,5 cm in der Länge und 7,6 cm im Durchmesser. Die Eigenschaften der Ölbeschickungen, wie sie bei diesen Versuchen verwandt wurden, sind in Tabelle I gezeigt.

Die Ergebnisse der Versuche, die mit der Beschickung A und der Beschickung B unternommen wurden, j sind in den Tabellen II und III gezeigt. j

Tabelle I Eigenschaften der Beschickungen

Anilin-Punkt, ⁰C(⁰F)

Spezifisches Gewicht (Araer. Petrol Institut) ...

Destillation ⁰C bei 760 mm Erster Tropfen

5%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

95%

Beschickung A I B

31,8 (89,2)

11,3

282

305,2

317,2

327

340

348

354

365

379

399

304 321 333 346 363 375 386 400 424 466 510 BMCI (Definition s. P 36 722 IVä/22f;S. 50)

Fließpunkt, ⁰C

Viskosität

SUSbeil00°F

SUSbei210°F

Kohlenstoffrückstand nach Ramsbottom

Kohlenstoffanteil, Gewichtsprozent

Wasserstoffanteil, Gewichtsprozent

Schwefelanteil, Gewichtsprozent

Verlust

Beschickung A IB

91 4,45

78,2 35,7

2,6

89,0

9,5

1,5

97,5 7,22

85,1 35,6

Tabelle II Ruß, hergestellt mit der Beschickung A

Versuch	Druck	Öl .·	Luft	Gas	Photelo-	Ausbeute	Oberflächen ausdehnung
Nr.	ata	l/h	lO'm'/h	lO'm'/h	meter	kg/1 .	m'/g
1	0,92	25,6	174	11,3	87	0,37	139
2	0,92	22,6	170	11,3	88	0,305	146
3	1,87	25,9	170	11,3	91	0,44	84
4	1,87	47,	340	22,6	90	0,364	105

Tabelle III Ruß, hergestellt mit der Beschickung B

Versuch	Druck	öl	Luft	Gas	Photelo-	Ausbeute	Oberflächen ausdehnung
Nr.	ata	l/h	lO'm'/h	lO'm'/h	meter	kg/1	m'/g
5	0,76	16,2	113	7,55	91	0,324	150
6	0,93	17,7	113	7,55	90	0,412	129
7	0,83	23,6	170	11,3	89	0,323	164
8	0,82	23,6	170	11,3	89	0,323	173
9	0,95	25	170	11,3	92	0,365	150

Vergleicht man die Versuche t und 3, so ist zu sehen, daß ein Verdoppeln des Drucks im Reaktor zu einer Abnahme in der Oberfläche von 139 bis 84 m²/g oder insgesamt von 55 Einheiten bei einer Änderung von 0,92 kg/cm² führt, was einer Änderung von etwa 4 Einheiten pro 0,07 kg/cm² im Luftdruck entspricht. Ein Vergleich der Versuche 7 und 8 zeigt dagegen eine Änderung von 9 Einheiten bei einer Änderung von 0,0154 kg/cm² oder einer Änderung von 41 Einheiten pro 0,07 kg/cm² im Luftdruck. In diesem Druckbereich beeinflußt also eine Änderung im Reaktordruck die Oberfläche des erzeugten Rußes etwa zehnmal so stark wie eine ähnliche Änderung im Reaktordruck bei 2 Atmosphären oder 1,85 ata.

Die Erfindung ist nicht auf einen HAF-Reaktor beschränkt, sondern läßt sich auch auf FEF oder andere Arten von Ofenrußreaktoren anwenden.

Claims (2)

Patentansprüche: 20

1. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Öl-Furnace-Ruß mit weitgehend konstanten Werten für die spezifische Oberfläche nach BET durch thermische Zersetzung eines Kohlenwasserstoffes in einer durch Brenngase erzeugten Zone hoher Temperatur und Turbulenz, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Reaktionsgefäß so konstant als möglich und im Bereich von 0,76 bis 0,95 ata gehalten wird.

2. Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen von Ruß nach dem Verfahren des Anspruchs I, bestehend aus einem üblichen Reaktor für die Öl-Furnace-Rußher.stellting, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaß des Reaktors zusätzlich ein auf den absoluten Druck im Reaktionsgefäß ansprechender Druckfühler, weiterhin ein Ventil und ein die Strömungsgeschwindigkeit des Abstromes aus dem Reaktionsgefäß erhöhendes Gebläse vorgesehen sind, wobei der Druckfühler mit einem Druckregler verbunden ist, der so eingestellt ist, daß das Ventil durch diesen Regler beim Absinken des Druckes im Reaktionsgefäß unter einen vorbestimmten Wert in Verschlußrichtung bewegbar ist, und wobei der Druckregler außerdem mit dem Antrieb des Gebläses verbunden ist und das Gebläse eingeschaltet oder beschleunigt ist, wenn der Druck im Reaktionsgefäß über einen vorbestimmten Wert ansteigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109682/73