DE1966996A1 - Reaktor zur herstellung von furnaceruss (iii) - Google Patents

Description

DEUTSCHE GOLD- UHD SILBSR^SCHEIDEÄISTALT VORMALS ROESBIER 6000 Frankfurt am Main, Weißfrauenstraße9

"Reaktor zur Herstellung von ITurnaceruß (TII)" (Ausscheidung aus P 19 10 125.8-41 v. 28.2.1969) = ■"-.

Die Erfindung. ;betrifft einen rohrförmigen,. einbautenlοsen Reaktor mit Zweistöff-Injektor für den RußrohstOff zur Herstellung von Purnaceruß.durch Thermolyse des Rußrohstoffs mittels durch Verbreitung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie.

Verfahren zur Herstellung von -Furnaceruß sind im allgemeinen dadurch charakterisiert, daß man in eine heiße, aus Brenngas und Überschüssigerluft erzeugte JTlanmie einen als Rußrohstoff geeigneten Kohlenwasserstoffeinbringt, wobei, bezogen auf den Gesamtkohlenstoff, der mit der Luft eingebrachte Sauerstoff im Unterschuß ist. Da das Brenngas zum Zwecke der. Energieerzeugung eingesetzt wird, sollteves auch möglichst vollständig verbrennen und. so den Hauptanteil der Luft verbrauchen, damit nicht unter Ausbeuteminderung mehr von dem Rußrohstoff verbrannt v/ird als zur Aufrechterhaltung des Riißbildungsprosesses notwen-• dig ist. ; "■. ■

Zu den bisher beschriebenen Verfahren wird eine gute Verbrennung des Brenngases in der Regel dadurch ersielt, daß man beispielsweise eine der Rußbildungszone vorgeschaltete Vor- . ■" brenn3xa)iimer benutzt, die so ausgelegt ist,, daß. das Brenngas Gelegenheit hat, mit der zugeführten Luft vollständig zu verbrennen, ehe es mit dem eingeführten Rußrohstoff in Berührung Jcommt. Als JTachte.il ergibt sichlii-er eine' schlechte Energieausnutzung, da ein Teil der Wärme über den gekühlten Rußrohs.toff—Injektor--bzw. über die Vorbrennlcammer selbst abgeführt v/ird, bevor eine Uebertragung auf den Rußrohstoffstrahl stattfindet. , : ;

Nach einem anderen bekannten Verfahren verwendet man einen Rußreaktor, der durch entsprechende Einbauten, beispielsweise -

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eines sogenannten Restriktorringes für eine intensive Durchmischung des Brenngases mit der Luft sorgt, wobei aber auch der Rußrohstoff mit dem Brenngas/Luft-Gemisch verwirbelt wird. Bei dieser Ausführungsform kommt daher der Rußrohstoff sehr früh . mit dem Luftsauerstoff in Berührung, so daß infolge Verbrennung von Rußrohstoff die Ausbeute vermindert wird.

Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen einbautenlοsen Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff zur Herstellung von Furnaceruß durch Thermolyse des Rußrohstoffs mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie. Dieser ist gekennzeichnet durch an der Stirnseite des Reaktors axial angeordnete Kanäle für die Verbrennungsluft, einen stirnseitig in der Reaktormittelachse angeordneten Rußrohstoff-Injektor mit vornliegender, einen kleinen Sprühwinkel von 8° bestreichender bzw. stark bündelnder Mischdüse sowie innerhalb der Kanäle für die Verbrennungsluft verschiebbar angeordnete, im parallel zur Reaktorachse verlaufenden Teil der Verbrennungsluftzufuhrkanäle mündende Gaslanzen.

Die obengenannten Fachteile der bekannten Verfahren lassen sich vermeiden, wenn man unter strömungstechnischer Trennung von Wärmeerzeugungs- und ThermoIysezonein einem von Einbauten freien Reaktionsrohr Rußrohstoff in eine durch die Wandungen des Reaktionsrohrs abgestützte und entlang seiner Achse strömende, durch Oxydation des Brenngases nittels Verbrennungsluft erzeugte !Flammenhülle, unter feinster Zerstäubung in einem stark gebündelten Strahl einbringt.

Man läßt also in einem Reaktionsrohr mit glattem Innenniantel das Brenngas in einer äußeren Hülle mit dem Luftsauerstoff verbrennen," die sich entlang der Ofenachse rund um den eintretenden Rußrohstoff bewegt. Dadurch erhält das Brenngas ein Überangebot an Luftsauerstoff, kann also vollständig verbrennen,

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während gleichzeitig die Übertragung der Wärmeenergie auf den Rußrohstoff erfolgt.

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Eine wesentliche Voraussetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Ruβrohstoff in möglichst feiner Verteilung in den Öfen eingebracht wird, wobei der feinzerstäubte Strahl zusätzlich so stark gebündelt sein sollte, daß eine vorzeitige Vermischung der heißen Flämmenhüll-e mit dem Rußrohstoff bzw. dessen Folgeprodukten vermieden wird»

Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei den bisher bekannten Verfahren 'durchwegs Zerstäubervorrichtungen mit unzulänglicher Dispersionswirkung Verwendung fanden. Dieser Mangel mußte durch Einbauten im Rußofen, welche die Verwirbelung fördern,

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wieder ausgeglichen werden, womit jedoch zwangsläufig der er-. wähnte Nachteil verschlechterter Ausbeute verknüpft war. Demgegenüber hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zerstäubung des-^Rußrohstoff es einen Injektor mit'vornliegender Mischdüse zu/verwenden, wie er in der deutschen Patentanmeldung P 16 25 206.5 beschrieben ist.

Ein derartiger Brenner weist an einem Ende ein mit einer Düse versehenes und zu dieser hin sich verengendes Mantelrohr für das Zerstäubergas und ein im Mantelrohr angeordnetes und innerhalb desselben endigendes Rußrohstoff-Zufuhrrohr auf,wobei ä der Abstand der-beiden.. Rohrenden in axial er Richtung maximal das Zehnfache des Innendurchmessers des Mantelrohr beträgt und nach vorteilhaften Ausführungsformen" das Rußrohstoff-Zuführrohr relativ zum Mantelrohr in der Längsacbse" verschiebbar ist und M Bereich der Verengung des Mantelrohres zur Düse hin mündet, während die Injektordüse eine zylindrische, venturi- oder lavaldüsenförmige Bohrung hat, die wesentlich enger als das Mantelrohr istJ

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Die gefundene definierte Verbrennungsführung des Brenngases zur Erzielung optimaler Ausbeuten ist von der Erfüllung zweier Voraussetzungen abhängig: Das Brenngas muß einerseits möglichst rasch und intensiv mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft vermischt werden, so daß vollständige Verbrennung erfolgen kann, bevor es mit dem Rußrohstoff in Berührung kommt. Andererseits muß die bei der Verbrennung freiwerdende Energie möglichst ohne größere Verluste auf den feinverdüsten Rußrohstoff strahl übertragen werden, wobei die Wärmestrahlung eine wichtige Rolle spielt. Das bedeutet, daß die räumliche Anordnung von Gasverbrennungs- und Rußbildungszone von außerordentlicher Bedeutung ist, wenn man die Rußausbeute über den Wert hinaus steigern will, der bei starker Durchmischung aller Komponenten erzielt wird. ·

Der erfindungsgemäße Reaktor gestattet, Brenngas und Verbrennungsluft .vor ihrem Eintritt in das Reaktionsrohr innig zu mischen und das Gasgemisch über ajn der Stirnseite des Reaktors, nahe dessen Rohrmantel angeordnete Oeffnungen, z.B. Bohrungen oder einen Ringspalt, parallel zur Reaktorachse mit so hoher Geschwindigkeit in den Reaktor einzublaseii, daß der Verbrennungsvorgang des Gemisches erst innerhalb des Reaktors abläuft. Die Eigenart dieser Verfahrensführung beruht darin, daß die erzeugte heiße Plammenhülle nicht schraubenförmig, sondern parallel zur Längsachse des Reaktors strömt.' - -

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Zur Herstellung von Furnace-Ruß ist das Verfährensprinzip der Themiolyse von Rußrohstoff mittels Verbrennung eines Brenngases erzeugter 'Wärmeenergie bereits mehrfach^ angewendet worden (DT-AS 1 iCQ 983 und ÜS-PS 3 222 131), ^ Die Verwendung von Zweistoff-Injektoren bei rohrförmigen, einhautenlosen Furnace-Ruß-ReaktOren ist zudem\ aus\ der GB-PS 814 095 bekannt gewesen. Diese Patentschrift zeigt in Figuren-1 und.3 einen mit einer vor der In^ektormündung angeordneten Drossel versehenen Reaktor, welcher an der: Stirnseite tangential angeordnete Einlasse für Verbrennungs— " luft, den stirnseitig in derReaktormittelachse ,angeordneten Zweistoff-InjektOr, sowie einen um den Injektor angeordneten, J| mit Oeffiiungen versehenen Mantel für das Brenngas:-sowie zusätzliche, in der Reaktorstirhseite uni den Injektor herum angeordnete und zum Rußrohstoffaustritt zielende Brenngasdüsen aufweist* Aufgabe und Funktion dieses Reaktors stehen in völlständigera Gegensatz zur Aufgabe und Funktion des erfindungsgemäßen Reaktors, V/af-meerzeugungs- und'ThermOlysezone im Reaktor auf eine möglichst lange Strecke getrennt zu halten",^: denn die zusätzlichen, zur Reaktorachse angestellten Brenngas— düsen führen in Verbiridimg-mit der Drossel zu einer starken Turbulenz an der Injektoraüiidung lind fördern eine sofortige innige Vermischung von Iiuft, Brenngas und Ru βrohstoff ,,Zwar werden mit dieser Anordnung unerwünschte Palsationen vermieden, .doch können sich die mit vorliegender Erfindung erzielbaren Vorteile nicht einstellen* ' / ^; ν

^Dic GB-PS 743 879 beschreibt einen Rußreaktor mit- einer zy- V lindi\ischen ersten Reaktionskammer größeren Querschnitts, an die sich über ein. konisches Verbindungsstück eine zweite zylindrische Reaktionskammer kleineren Querschnitts anschließt. : An do3ⁿ Stirnwand der ersten Kammer; ist: ein in geringem Abstand von ihrem Hantel und vor einem Ringspalt für den Eintritt kreisender Verbrennungsluft verlaufender ringförmiger Verteiler für Brenngas angeordnet. Ein Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff sitzt in der Mittelachse des Reaktors und endigt etwa' in der Ebene des Brenngas-Verteilerrings. Es erfolgt

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turbulente Verbrennung in der ersten Kammer; das Reaktionsgemisch wird sodann durch den Konus in die zweite Kammer kleineren Durchmessers gedrückt. Aufgabe und Funktion des bekannten Reaktors stehen daher in vollständigem Gegensatz zum Erfindungsgegenstand, welcher eine Trennung einer Thermolysezone von einer sie ringförmig umgebenden Wärmeerzeugungszone über eine möglichst lange Strecke eines verengungsfreien Reaktorrohres erlaubt.

Die GB₇PS 778 207 betrifft ein.Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von Ruß und Synthesegas, bei dem ein Ruß rohst off ~- ' nebel von reinem Sauerstoff umhüllt wird und durch teilweise Verbrennung dieses Rohstoffs Ruß- und sog. "Tailgas" gebildet werden, welch' letzteres als den Sauerstoffstrom umhüllender Mantel teilrezykliert wird. Aufgabenstellung und Funktion ist hier ebenfalls anders gelagert als beim Erfindungsgegenstand, v/eil zur Wärmeerzeugung partielle Verbrennung des zu thermolysierenden Rußrohstoffs herangezogen wird, was beim Erfindungsg-egenstand absichtlich vermieden wird.

Die US PS 3 256 066 und die ihr entsprechende GB-PS 1 068 178 beschreibt einen Rußreaktor mit einem rohrförmigen, einbautenfreien.Reaktionr.raun, der sich stirnseitig zu einem mit Lufteinlaßschlitz versehenen Konus erweitert. Reaktionsrohr und Konus-" werden von einem geschlossenen "Kantel_r der zu Luftzufuhr und -vorwärmung 'dient, umgeben. Stirnseitig ist in der Reaktormittelachse eine Breniier/Zerstäubervorrichtmig montiert, v;elche radiale'Brenngasaustritte innerhalb des Konus auf v/ei st, und deren Rußrohstoff-Zerstäuberdüse knapp in das Reaktionsrohr hineinreicht. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Reaktor verleiht die konische Vorkammer dem rotierenden Luft/Brenngas-Gemisch eine Spiralbewegung, welche eine unmittelbare Durchdringung des Rußrohstoffsprühkegels mit dein genannten, zur Wärmeerzeugung dienenden Gasgemisch verursacht. Eine Trennung von Wärmeerzeugungs- und Thermolysezone „ist hier nicht verwirklicht.

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Das mit don erfindungsgemäßen Reaktor durchführbare Verfahren hat gegenüber den bisher bekannten Verfahren folgende Vorteile:

1. Durch die Konzentrierung von Brenngas und Verbrennungsluft auf den Bereich der Reaktorwandung kommt es zu einer sehr schnellen und vollständigen Verbrennung des Brenngases, da ja der Sauerstoff der Verbrennungsluft gegenüber dem Brenngas im Ueberschuß vorhanden ist,'Sauerstoff wirkt also auf den Rußrohstoff erst ein/ nachdem der zur Verbrennung des Brenngases benötigte Sauerstoffanteil vollständig verbraucht ^ist· ■■.■■-. ^{: :} ν "-■-'■■■'-".-■■■■. '-■"■-'■. ■■ >4

2. Bei der Verbrennung bildet sich neben Wasserdampf vor allem CO₂, d.h. energiemäßig betrachtet, v.drd das Brenngas vollkoraraen ausgenützt. Der Vorteil wird besonders deutlich, wenn man einen Vergleich mit einem -.Reaktor durchführt, bei dem durch eine Einschnürung vor der Ebene der Rußrohstoffinjektormündung eine starke Verwirbelung hervorgerufen wird: Hier kommt der Luftsäuerstoff mit einem Ueberangebot von Kohlenstoff und Wasserstoff.des Brenngas/Rußrohstoff^Gemisches in Berührung, so daß jetzt die energiearmere CO-Bildung bevorzugt ist. Als Erläuterung dienen die im folgenden aufgeführten Bildungsreaktionen aus den Elementen: ;. ^

• c. + O₂-^. CO₂V " -ι- 94 050 kcal ^: 2C "+ Og~—sy2GO + 52 800kcal

3. Durch die gezielte Verbrennungsführung läßt sich nicht nur ein vollständigerer Ausbrand des Brenngases und damit auch eine günstige Energiebilanz erzielen, sondern -da man ein vorzeitiges Zusammentreten der heißen llammengäse mit dem Rußrohstoff verhindert - auch die Ausbeute erhöhen. Da durch die bessere Energieausnutzung die Temperaturen im Reaktor ·■ ansteigen, kann die Ausbeutesteigerung durch Erhöhung der Rußrohstoffmenge oder durch Herabsetzen der Verbrennungsluftmenge hervorgerufen werden.

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4. Energieverluste werden ebenfalls weitgehend vermieden, da hier eine optimale Uebertragung der Energie möglich ist. Verbrennungs- und Rußbildungszone sind hier, im Gegensatz zu Verfahren, welche mit einer Vorbrennkaminer arbeiten, nicht räumlich hintereinander angeordnet.

Die erzielte weitgehende strömungstechnische Trennung der Zone der Wärmeenergieerzeugung und der Zone der Rußrohstoffcrackung erlaubt es, die Bildung von Kohlenoxid in= den Reaktionsprodukten zurückzudrängen und dadurch eine wertvolle Erhöhung der Rußausbeute zu erhalten, da Kohlenstoff, der nicht in !Form von Verbrennungsprodukt en den Rußofen verläßt, in jedem PaIl als zusätzliche Rußmenge in Erscheinung tritt. Daneben gestattet die Verwendung einbautenfreier Realctoren eine beachtliche Steigerung der Durchsatzmengen.

Darüber hinaus kann die in der Zeiteinheit hergestellte Rußmenge durch die bessere Ausnützung der Brenngasenergie im Ver-, gleich zu bekannten Verfahren erheblich erhöht werden, indem be

■ gleichbleibenden Brenngas- und luftmengen wesentlich mehr Rußrohstoff eingesetzt .werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Verfahrensschemas und Versuchsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen

I¹AgUr 1: die Strömung der Reaktionsteilnehmer bei achsenparalleler Zuführung von Brenngas und Verbrennungsluft.

;^:. Nach der Figur 1 wird die Verbrennungsluft durch an der Stirnseite des Reaktors angeordnete Kanäle 7 zugeführt. Vor ihrem Eintritt in das Reaktionsrohr über den durch den Reaktorinnen-: . mantel begrenzten Ringspalt 8 wird ihr Brenngas zugemischt. Das Brenngas tritt dabei aus verschiebbaren Gaslanzen 9 aus, welche im parallel zur Reaktorlängsachse verlaufenden Teil der Verbrennungsluftsufuhrkanäle münden. Das aus dem Ringspalt *8

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in den Ofen.--ausströmende Luft/Brenngas-Gemisch fließt ohne Rotationsbewegung in weitgehend laminarer Strömung an dem Innenmantel des Reaktors entlang: und hüllt dabei den in kleinem Sprühwinkel aus der Zerstäuberdüse 6' des Injektors austretenden Kegel aus Rußrohstoffnebel ein. Der Rußrohstoffkegel wird beim Betrieb des Ofens somit von einem.; entlang der Reaktorlängsachse strömenden. Plammenmantel umschlossen und der Rußrohstoff überwiegend durch Absorption von SträhTungshitse gecrackt« ; · ".■"._-" ;_: :

Aus den in der nachfolgenden Tabelle enthaltenen Versuchs- (| beispielen gehen die erfindungsgemäßen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren-erzielbaren Vorteile hervor.

Die Tabelle enthält zwei Vergleichsbeispiele, welchesich auf die Herstellung des Begussa-Rußtyps■■ Cprax _::9 erstrecken .· Beispiel 1 betrifft dabei die bekannte Arbeitsweise unter ■. .. " Verv/endung eines Ofens mit Restriktorringund herkömmlichem Brenner. Beispiel 2 gilt für das Arbeiten im erfindungsgemäßen Reaktor. . ; - _- '

BAD ORIGINAL 509851/0894 : λ

Ta b e lie : -i

• ' Corax^ .9

Beispiel -ffr. ~ ^: 1. 2

Menge Rußöl II (kg/h) 25,0 54,0 Brenncasmenge (Stadtgas 4500 cal/Fm³) 10,0 10,0.

Gasdruck am. Brenner (atü) ' 0,2 1,5

Yerbrennungsluftraenge (Nm³/h) 107,0 107,0

Zerstäuberluftmenge (lim³/Ii) 7,0 7,0 KCl-Menge (mg/kg OeI) - " 15,0 15,0 Erzeugte Rußmenge (kg/h) . 9,9 16,0

Ausbeute (bezogen auf Oeliaenge) 39,6 47,1

Eigenschaften:

Jodoberriäche Cm⁸Vg) 131 131

DBP-Adsorption (ml/g) 1,20 i_}21

liodul -300 $ (kg/cm²) 145 146

Relat. Abriebwiderstand 10O⁺) 101 ;

+) der relat. Abriebv.aderstand in Beispiel 1 ist gleich 100>c gesetzt.

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SAO ORfGfNAL

Claims (2)

1. ntansprüche

   1, Rohrförmiger einbautenloser Reaktor mit Zweistoff— Injektor für den Rußrohstoff zur Herstellung von "Furnaceruß durch Thermolyse des Rußrohstoffs mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie, gekennzeichnet durch an der Stirnseite des Reaktors axial angeordnete Kanäle für die "Verbrennungsluft (T), einen stiraseitig in der Reaktormittelachse angeordneten Rußrohst off -Injektor mit vornliegender, einen kleinen Sprühwin- kel von 8° bestreichender bzw. stark bündelnder Misch— ä düse (6) -sowie innerhalb der. Kanäle für die Verbrennungsluft verschiebbar angeordnete, im parallel zur Reaktorachse verlaufenden Teil der Verbrennungsluftzufuhrkaiiäle mündende Gaslanzen (9).
2. 2. Reaktor nach Ansprüchen 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweistoff-Injektor mit vornliegender Mischdüse an einem Ende ein mit einer Düse versehenes--und.-zu dieser hin sich verengendes Mantelrohr für das Zerstäubergas und ein im Mantelrohr angeordnetes und innerhalb desselben endendes Rußrohstoff-Zufuhrrohr aufv/eist, wobei der Abstand der beiden Rohrenden in axialer Richtung maximal das zehnfache

   des Innendurchmessers des Mantelrohrs ist. " "

   PL/Dr.Kr-IS, 5124 RS
   7. März 1975

   509 851/089

   it

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