DE2122800A1

DE2122800A1 - Process for the production of carbon black

Info

Publication number: DE2122800A1
Application number: DE19712122800
Authority: DE
Inventors: Allan Clark Sudbury; Jordan Merrill Edmund Walpole; Wendell Charles Butler Canton; Mass. Morgan (V.St.A.)
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1970-08-03
Filing date: 1971-05-08
Publication date: 1971-12-02
Also published as: AU2897071A; FR2091701A5; BE767334A; NL7106819A; IL36864A0; ES391070A1

Description

5. Mai 1971 Gzy/hkMay 5, 1971 Gzy / hk

Cabot Corporation, 125 High Street, Boston, Massach.,USA Verfahren zur Herstellung von RußCabot Corporation, 125 High Street, Boston, Massach., USA Process for the production of carbon black

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ofenruß. Sie betrifft insbesondere die Verwendung von sauerstoffreichen oxydierenden Gasen für das Erzeugen von Wärme zur Zersetzung von dampfförmigen oder atomisierten Kohlenstoff enthaltenden Ausgangsstoffen und die Art, wie diese Ausgangsstoffe eingeführt werden.The invention relates to a method for producing furnace black. It particularly concerns the use of oxygen-rich oxidizing gases for generating heat for the decomposition of vaporous or atomized gases Carbon-containing raw materials and the way in which these raw materials are introduced.

Es ist bekannt, daß sauerstoffreiche oxydierende Gas=bei der Herstellung von Ofenruß Vorteile mit sich bringen. Solche oxydierenden Gase enthalten geringere Mengen von inerten Stoffen wie Stickstoff im Vergleich zu Luft. In der Technik entstehen aber verschiedene Schwierigkeiten bei der Anwendung solcher sauerstoffreicher Gase. In der USA-Patentschrift Nr. 2 623 811 ist die Verwendung eines sauerstoffreichen oxydierenden Gases anstelle von Luft bei der Herstellung von Ofenruß beschrieben. Hierbei wird aber gefordert, daß der weggelassene Stickstoff in weitem Ausmaße ersetzt werden muß durch andere wärmeabsorbierende Gase, wie Kohlendixyd, Kohlenmonoxyd, Wasserstoff oder Wasserdampf, die zusammen mit dem sauerstoffreichen Gas in die Verbrennungszon· eingeführt werden sollen.It is known that oxygen-rich oxidizing gas = at bring advantages to the production of furnace soot. Such Oxidizing gases contain smaller amounts of inert substances such as nitrogen compared to air. In technology however, various difficulties arise in the use of such oxygen-rich gases. In the USA patent No. 2,623,811 is the use of an oxygen-rich oxidizing gas instead of air in the production of furnace soot. Here, however, it is required that the nitrogen that is left out has to be largely replaced by other heat-absorbing gases, such as carbon dioxide, Carbon monoxide, hydrogen or water vapor that together are to be introduced into the combustion zone with the oxygen-rich gas.

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Das wesentlich© Ziel der Erfindung ist ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Ofenruß, wobei zur Erzeugung von Wärme ein sauerstoffreiches oxydierendes Gas verwendet wird. Die bei der Verbrennung erzeugte Wärme läßt in sehr wirksamer Weise aus einem dampfförmigen oder atomisierten, Kohlenstoff enthaltenden Ausganastoff mit hoher Ausbeute einen Ruß von besonders guten Eigenschaften entstehen. Ein weiteres Ziel dar .Erfindung ist die Gewinnung von Ruß besonders guter Eigenschaften aus eimern verdampften oder atomlsierten, Kohlenstoff enthaltendem Auagansstoff, wobei ein außergewöhnlich hoher Durchsatz in einer Vorrichtung bestimmter Abmessungen ersielt wird«, Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist dl© Erreichung großer Durchsatzgeschwindigkeiten in einer Anlag© bestimmter Ab&sssungen, wodurch die höheren Kosten^ die bei Verwendung eines sauerstoffreichen Oxydationsmittels entstehen, mehr als ausgeglichen werden.The main aim of the invention is a continuous process for the production of furnace soot, wherein an oxygen-rich oxidizing gas is used to generate heat. The heat generated during combustion can very effectively produce a soot with particularly good properties from a vaporous or atomized carbon-containing starting material with high yield. Another object is .The invention is the recovery of carbon black particularly good properties of buckets vaporized or atomlsierten, carbon-containing Auagansstoff, with an exceptionally high throughput ersielt in a device of certain dimensions, "An additional object of the invention is dl © achieve high throughput speeds in The installation of certain discharges, which more than compensates for the higher costs associated with the use of an oxygen-rich oxidizing agent.

Dieses Ziel wird erflnduiigsgsEäß dadurch erreicht, daß man in einer geschlossenen Verbremmngszon© einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff mit @in©a wenigstens 50 ¥ol„-# molekularen Sauerstoff enthaltenden Gase verbrennt und den Strom des entstandenen Verbrennongsgases ableitet; daß man in diesen Strom des Verbrennungagases von ßußen her einen dampfförmigen oder fttomlsiert@n, Kohlenstoff enthaltenden, verbrennlichen Ausgangsstoff mit einer solchen Geschwindigkeit einleitet, daß das entstehende Umsetzungsgomisch eine Temperatur von wenigstens etwa 13QO⁰C hat, daß man das hierbei entstandene Umsetzungegemisch solange unter solchen Bedingungen hält, dai5 Kohlenstoff teilchen entstehen? daß man das die Kohlenstoffteilchen enthaltende Gemisch schnell soweit abkühlt» daß kein Kohlenstoff mehr entsteht; und daß man die Kohlenstoffteilchen aus dem Gemisch abtrennt.This goal is achieved by burning a liquid or gaseous fuel with gases containing at least 50% of molecular oxygen in a closed combustion zone and diverting the flow of the resulting combustion gas; that one of ßußen forth a vaporous or fttomlsiert @ n into this stream of Verbrennungagases, carbon-containing combustible raw material at such a rate to initiate that the resulting Umsetzungsgomisch has a temperature of at least about 13QO ⁰ C, that Umsetzungegemisch To the resulting while under such conditions that carbon particles are formed? that the mixture containing the carbon particles is rapidly cooled to such an extent that no more carbon is produced; and separating the carbon particles from the mixture.

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Nachstehend sollen die einzelnen Verfahrensschritte genauer beschrieben werden.The individual process steps are described in more detail below to be discribed.

Bei der Verbrennung soll das' gasförmige Oxydationsmittel im wesentlichen aus molekularem Sauerstoff bestehen und vorzugsweise wenigstens etwa 90 Vol.-56 von diesem enthalten. Solche Gase mit einem Gehalt von mehr als etwa 95 Vol.-96 Sauerstoff sind im Handel, so daß ihre Beschaffung keine Schwierigkeiten mit sich bringt, Man kann aber auch solche Gasgemische verwenden, die außer wenigstens etwa 50 V0I.-J6 molekularem Sauerstoff noch Stickstoff oder andere Gase enthalten. Unabhängig von der Konzentration des oxydierenden Gases an molekularem Sauerstoff solten die Verbrennungsbedingungen und die Mengen der verbrennbaren Bestandteile so gehalten werden, daß Temperaturen von wenigstens etwa 1300⁰C erreicht werden. Solche Temperaturen sind für die Bildung von Kohlenstoffteilchen erforderlich. Diese Temperaturen können entweder bei der Verbrennung oder bei -der anschließenden Einführung des dampfförmigen oder atomisierten Ausgangsstoffes entstehen. In der Regel sind Temperaturen über etwa 160O⁰C, vorzugsweise über etwa 1900⁰C vorzuziehen.During combustion, the gaseous oxidizing agent should consist essentially of molecular oxygen and preferably contain at least about 90 vol. 56 of it. Such gases with a content of more than about 95 vol. -96 oxygen are commercially available, so that there are no difficulties in obtaining them. However, gas mixtures can also be used which, in addition to at least about 50 vol. -96 of molecular oxygen, also contain nitrogen or contain other gases. Regardless of the concentration of the oxidizing gas of molecular oxygen Solten the combustion conditions and the amounts of the combustible components are held so that temperatures are achieved of at least about 1300 ⁰ C. Such temperatures are required for the formation of carbon particles. These temperatures can arise either during the combustion or during the subsequent introduction of the vaporous or atomized starting material. As a rule, temperatures above about 160O ⁰ C, preferably above about 1900 ⁰ C are to be preferred.

Als gasförmiger Brennstoff können ein leicht verbrennliches Gas, ein Dampf oder eine Flüssigkeit verwendet werden, wozu beispielsweise Wasserstoff, Kohlenmonoxyd, Methan, Acetylen, Alkohole, Kerosene und dergleichen gehören. Vorzuziehen ist ein solcher Brennstoff, der einen hohen Gehalt an Kohlenstoff hat, insbesondere ein Kohlenwasserstoff. So sind beispielsweise meöianreiche Gase, wie Erdgas oder modifiziertes oder angereichertes Gas ausgezeichnete Brennstoff^ ebenso wie andereAn easily combustible gas, vapor or liquid can be used as the gaseous fuel, including for example hydrogen, carbon monoxide, methane, acetylene, Alcohols, kerosene and the like. A fuel that is high in carbon is preferable has, especially a hydrocarbon. For example, gases rich in meei such as natural gas or modified or enriched gases are Gas excellent fuel ^ as well as others

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an Kohlenwasserstoff reiche Stoffe, wie Petroleumgase, Flüssigkeiten, Nebenprodukte der Raffinerie mit Kohlenstoffverbindungen mit 2 bis 4 oder 5 Kohlenstoffatomen im Molekül, Heizöle und dergleichen. Bei Verwendung von schwereren und viskoseren Teeren und Rückstandsölen sollten nur solche oxydierenden Gase verwendet werden, die einen hohen Gehalt an reinem Sauerstoff, beispielsweise mehr als 90 Vol.-% enthalten. Dadurch wird eine schnelle und kräftige Umsetzung in der Verbrennungszone bei den hohen Temperaturen erreicht,, Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entstehen in der Verbrennungszone stündlich wenigstens etwa 180 xiO⁵ kgcaVSt/m^2O χ 1O⁶BTU/St/cuft).Hydrocarbon-rich substances such as petroleum gases, liquids, by-products of the refinery with carbon compounds with 2 to 4 or 5 carbon atoms in the molecule, heating oils and the like. When using heavier and more viscous tars and residual oils, only those oxidizing gases should be used which contain a high content of pure oxygen, for example more than 90% by volume. As a result, a rapid and vigorous conversion is achieved in the combustion zone at the high temperatures. In a preferred embodiment of the invention, at least about 180 × 10 ⁵ kg caVSt / m ^ 2O χ 1O ⁶ BTU / St / cuft) are produced in the combustion zone per hour.

Um bei dem erfindungsgemäßen Verfahren den gewünschten außerordentlich hohen Durchsatz zu erreichen, ist es zweckmäßig? die Verbrennung unter Überdruck durchzuführen. Dieser Überdruck sollte eine Höhe von mehr als etwa 0,07 atm haben» Vorzugsweise sollte der Überdruck zwischen etwa 0,07 und etwa 1,4 Atmosphären liegen, um einen Ruß der " gewünschten Eigenschaften zu erhalten.In order to achieve the desired extraordinarily high throughput in the method according to the invention, it is functional? carry out the combustion under positive pressure. This overpressure should be greater than about 0.07 atm »Preferably the overpressure should be between about 0.07 and about 1.4 atmospheres to avoid sooting the "to get the desired properties.

üblicherweise werden die erforderlichen Temperaturen für das erfindungsgemäße Verfahren schon während -der Verbrennung erhalten. Wenn man aber bei der Verbrennung mit einem Überschuß an Sauerstoff arbeitet, so kann die maximale Temperatur auch erst nach dem Einführen des dampfförmigen, Kohlenstoff enthaltenden Ausgangsstoffes erreicht werden, der sich zum Teil mit dem freien Sauerstoff in dem heißen Verbrennungsgas umsetzt.Usually the temperatures required for the inventive method already during the combustion obtain. But if you work with an excess of oxygen during the combustion, the maximum Temperature can only be reached after the introduction of the vaporous, carbon-containing starting material, which partially reacts with the free oxygen in the hot combustion gas.

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Wenn acetylenische Verbindungen in größeren Mengen in dem Ausgangsstoff vorhanden sind, so sollte berücksichtigt werden, daß diese sich in der Wärme exoterm zersetzen, ohne daß zusätzliche Wärme dem System zugeführt zu werden braucht. In diesem letzteren Sonderfall sollten die Mengenverhältnisse des Brennstoffes und des Oxydationsmittels so bemessen werden, daß eine adiabatische Flamme von wenigstens etwa 165O°C entsteht. Diese Temperatur kann auch dadurch erreicht werden, daß der dampfförmige Ausgansstoff mit überschüssigem freiem Sauerstoff in dem heißen Verbrennungsgas sich umsetzt.If acetylenic compounds are present in larger quantities in the starting material, this should be taken into account that these decompose exotermously in the heat without additional heat being supplied to the system needs. In this latter special case, the proportions of the fuel and the oxidizing agent are so dimensioned that an adiabatic flame of at least about 165O ° C arises. This temperature can also be achieved in that the vaporous starting material with excess free oxygen in the hot combustion gas is converted.

Als Ausgangsstoff kann ein beliebiger verbrennlicher, dampfförmiger oder atomisierbarer, Kohlenstoff enthaltender Stoff verwendet werden, der wenigstens 75 Gew.-% erreicht. Dieser Ausgangsstoff kann bei einem ungewöhnlich hohen Durchsatz erfindungsgemäß einen Ruß besonders guter Eigenschaften liefern.Any combustible, vaporous material can be used as the starting material or atomizable, carbon-containing material which reaches at least 75% by weight can be used. This According to the invention, starting material can provide a carbon black with particularly good properties at an unusually high throughput.

Die Zusammensetzung des Ausgangsstoffes kann innerhalb weiter Grenzen schwanken. Man kann beispielsweise übliche bei Raumtemperatur gasförmige, Kohlenstoff enthaltende, verbrennliche Ausgangsstoffe verwenden, wie Acetylen, Methan, Propan, Äthan, Butan, Äthylen und Propylen. Es können auch üblicherweise feste oder flüssige, Kohlenstoff enthaltende Stoffe verwendet werden, die man leicht vollständig verdampfen oder vor dem Einführen in den Strom des Verbrennungsgases atomisieren kann, z. B. durch Erhitzen, durch eine schnelle Verdampfung, durch Atomisieren unter Druck oder mittels einer Trägerflüssigkeit. Beispiele solcher Ausgangsstoffe sind aromatischeThe composition of the starting material can continue within Boundaries fluctuate. You can, for example, conventional combustible carbon-containing gaseous at room temperature Use raw materials such as acetylene, methane, propane, ethane, butane, ethylene and propylene. It can also usually solid or liquid, carbon-containing substances are used, which can easily evaporate or completely can atomize prior to introduction into the stream of combustion gas, e.g. B. by heating, by rapid evaporation, by atomizing under pressure or by means of a carrier liquid. Examples of such starting materials are aromatic

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Kohlenwasserstoff, wie Benzol, Toluol, Xylol, Mesitylen, Cumol, Duren; lineare oder alizyklische Kohlenwasserstoffe wie Hexan, Oktan, Dodekan, Zyklohexan, Zyklopentan, paraffinische öle, Petroleumdestillata, äthylsnische Teere und dergleichen«, Aus wirtschaftlichen Gründen werden vorsugsweise verschieden© Erdöldestillat© oder Produkte verwendet, die während der Raffination durch Fraktionieren und/oder Destillieren entstehen„Hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, mesitylene, Cumene, durene; linear or alicyclic hydrocarbons such as hexane, octane, dodecane, cyclohexane, cyclopentane, paraffinic oils, petroleum distillates, ethyl tars and the like different © petroleum distillate © or products used, that arise during refining through fractionation and / or distillation "

Das Atomisieren eines flüssigen, Kohlenstoff enthaltenden Ausgangsstoffes kann in beliebiger Weise durchgeführt werden,, In der Regel verwendet man zum Atomisi®ren eine Düse, durch welche mittels eines Druckes oder unter Verwendung eiaes zusätzlichen Trägers der Ausgangsstoff gedrückt wird. Das erstere Verfahren \fird üblicherweise als Atomieierem durch Druck bezeichnet. Daa letzter© Verfahren wird als "bi-fluid"-Verfahren bezeichnet. Eine der Flüssigkeiten hierbei ist der flüssige Ausgangsstoff«, die andere Flüssigkeit oder das ander® Gas dient als Träger* Derartige Systeme arbeiten in der Regel nach dem Grundsatz von Bernoulli in dem Strom des Trägers.Durch eine Leitung ist ©ine Zone niedrigen Druckes angeordnet, vorzugsweise eine Einengung. Die su atomisierende Flüssigkeit wird in dieser Zone eingeführt. Die mitgerissene Flüssigkeit wird hierbei zu feinen Tröpfchen zerteilt und in dem Träger verteilt» Man kann natürlich auch andere Verfahren zum atomisieren verwenden. Z. Be rotierende Scheiben. Wegen ihrer Einfachheit, Wirksamkeit und leichten Anwendbarkeit sind aber die beiden oben beschriebenen Verfahren zum Atomisieren des flüssigen Aissgangsstoffes vorzuziehen.The atomization of a liquid, carbon-containing starting material can be carried out in any way. As a rule, a nozzle is used for atomization, through which the starting material is pressed by means of a pressure or using an additional carrier. The former method is commonly referred to as atomizing by pressure. The last © process is referred to as the "bi-fluid" process. One of the liquids here is the liquid starting material, the other liquid or the other gas serves as the carrier. preferably a constriction. The liquid to be atomized is introduced into this zone. The entrained liquid is broken up into fine droplets and distributed in the carrier. »You can of course also use other methods for atomizing. Z. Be rotating disks. Because of their simplicity, effectiveness and ease of use, the two methods described above for atomizing the liquid starting material are to be preferred.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der dampfförmige oder atomisierte Ausgangsstoff von außen her quer in den Strom des heißen Verbrennungsgases eingeleitet. Diese Einleitung kann in Form eines einzelnen Stromes oder vorzugsweise in Form von mehreren verhältnismäßig dünnen Strömen geschehen. Zur stabilen Durchführung des Verfahrens und zur Erzielung von Endprodukten guter Eigenschaften ist es sehr erwünscht, daß der Strom oder die Ströme des Ausgangsstoffes in die heißen Verbrennungegase so eingeführt werden, daß sie die umgebenden Wandungen der Reaktionszone nicht früher berühren, als sie mit dem heißen Verbrennungsgas innig gemischt sind. Diese Ströme können in die heißen Verbrennungsgase zwischen etwa 15 und etwa 50 % des Querschnittes eindringen. Diese Eindringungstiefe hängt augenscheinlich von der Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases ab, von der Form und den Abmessungen der Apparatur, von den Abmessungen und der Anzahl der Einführungastellen für den Ausgangsstoff, von der Geschwindigkeit der Einführung des Ausgangsstoffes, von dem zum Einführen des Ausgangsstoffes verwendeten Druck, und von ähnlichen Umständen. Durch geeignete Regelung der verschiedenen Verfahrensschritte und/oder der Abmessungen der Apparatur kann eine gewünschte Eindringungstiefe erreicht werden.In a preferred embodiment of the invention, the vaporous or atomized starting material is introduced from the outside transversely into the flow of the hot combustion gas. This introduction can take place in the form of a single stream or preferably in the form of several relatively thin streams. In order to carry out the process stably and to obtain end products with good properties, it is very desirable that the stream or streams of the starting material are introduced into the hot combustion gases in such a way that they do not contact the surrounding walls of the reaction zone earlier than they do with the hot combustion gas are intimately mixed. These currents can penetrate the hot combustion gases between about 15 and about 50 % of the cross section. This penetration depth obviously depends on the flow rate of the combustion gas, on the shape and dimensions of the apparatus, on the dimensions and the number of introduction points for the starting material, on the speed of introduction of the starting material, on the pressure used to introduce the starting material, and of similar circumstances. A desired depth of penetration can be achieved by suitable regulation of the various process steps and / or the dimensions of the apparatus.

Wenn man aus einem gegebenen Ausgangsstoff einen Ruß mit bestimmten Eigenschaften herstellen will, so ist die Zuführungsgeschwindigkeit des Ausgangsstoffes weitgehend abhängig von der verfügbaren Wärme und gegebenenfalls von dem Gehalt an freiem Sauerstoff in dem Strom des Verbrennungsgases, In den meisten Fällen führt man in Abhängigkeit von der Menge des Sauerstoffes und des Brennstoffes soviel des Ausgangsstoffes zu, daß von diesem etwa 20 bis etwa k5% vollständig zu Kohlendixyd und Wasser verbrannt werden können. Gute Ergebnisse werdenIf you want to produce a carbon black with certain properties from a given starting material, the rate of supply of the starting material is largely dependent on the available heat and, if necessary, on the content of free oxygen in the flow of the combustion gas Amount of oxygen and fuel so much of the starting material that about 20 to about k5% of this can be completely burned to carbon dioxide and water. Good results will be

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aber auch erzielt, wenn man die Umsätze so leitet, daß nur etwa 10% oder bis zu etwa 50% des Ausgangsstoffes verbrannt werden, wobei ebenfalls ein Ruß brauchbarer Eigenschaften erhalten wird.but also achieved if the conversions are conducted in such a way that only about 10% or up to about 50% of the starting material can be burned, whereby a carbon black having useful properties is also obtained.

Beim dritten Verfahrensschritt sind am wichtigsten die Abmessungen und die Form des Reaktionsräumes zwischen der Einführung des dampfförmigen Ausgangsstoffes und dem schnellen Abkühlen des Umsetzungsgemisches. Der gesamte Inhalt des Raumes z%vischen der Einführung des Ausgangsstoffes und dem schnellen Abkühlen sind bestimmend für die Verweilzeit in der Reaktionszone, wo der Ruß entsteht. Wenn die Verbrennung und die Einführung des Ausgangsstoffes so geregelt werden, wie es oben beschrieben ist, so kann schon bei sehr kurzen Verweilzeiten bis herab zu einer Millisekunde oder darunter ein Ruß ausgezeichneter Eigenschaften erhalten werden. Für die meisten Ruße liegen die optimalen Verweilzeiten zwischen etwa einer und etwa 100 Millisekunden. Auch längere Verweilzeiten bis zu etwa 500 Millisekunden oder sogar mehreren Sekunden geben aber ebenfalls gute Ergebnisse, und bei diesen längeren Verweilzeiten können bestimmte besondere Eigenschaften des Rußes erzielt werden. Zu den Abmessungen und Formen des Reaktionsraumes und zu dem schnellen Abkühlen oder Abschrecken soll weiter unten noch einiges ausgeführt werden.In the third process step, the dimensions and the shape of the reaction spaces between the Introduction of the vaporous starting material and the rapid cooling of the reaction mixture. All of the content the space between the introduction of the starting material and rapid cooling are decisive for the residence time in the reaction zone where the soot is produced. When the burn and the introduction of the starting material can be regulated as described above very short residence times down to a millisecond or less, a carbon black with excellent properties can be obtained will. For most carbon blacks, the optimal residence times are between about one and about 100 milliseconds. Even longer ones Dwell times of up to about 500 milliseconds or even several seconds also give good results, and at With these longer residence times, certain special properties of the carbon black can be achieved. About the dimensions and shaping the reaction space and the rapid cooling or quenching will be explained further below will.

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Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.The drawing shows an apparatus in which the inventive Procedure can be carried out.

Die Vorrichtung zur Durchführung der Verbrennung und zur Einführung des Kohlenstoff enthaltenden Ausgangsstoffes enthält zwei koaxiale etwa gleichlange Mäntel 12 und 14. Im inneren Mantel 12 befindet sich der Verbrennungsraum Mit dem äußeren Mantel 14 bildet der innere Mantel einen engen ringförmigen Kanal 18» durch welchen kein flüssiges Kühlmittel wie Wasser umlaufen kann, das durch die Leitungen 20 und 22 eintritt und austritt. Ein Brennstoff hohen Heizwertes, wie Erdgas gelangt durch die Leitung 24 und den Verteiler 26 in das eine Ende der Vorrichtung 10. Von dort wird der Brennstoff durch die Kanäle 30 in der Verteilerplatte 28 in den Verbrennu ngsraum 16 eingeführt. Vorzugsweise sollte die Verteilerplatte wenigstens 5 solcher Kanäle enthalten. Wegen der hohen Einführungsgeschwindigkeit und des hohen Durchsatzes sind Verteilerplatten mit etwa 13 bis 15 solcher Kanäle 30 in der Regel genügend, um das Verfahren auch in großem Maßstabe durchzuführen.The device for carrying out the combustion and for introducing the starting material containing carbon contains two coaxial jackets 12 and 14 of approximately the same length. The combustion chamber is located in the inner jacket 12 With the outer jacket 14, the inner jacket forms one narrow annular channel 18 »through which no liquid coolant such as water can circulate through the lines 20 and 22 enters and exits. A fuel of high calorific value, such as natural gas, passes through line 24 and the distributor 26 into one end of the device 10. From there the fuel is fed through the channels 30 in the distributor plate 28 introduced into the combustion chamber 16. Preferably the distribution plate should contain at least 5 such channels. Because of the high speed of introduction and the high throughput, distribution plates are about 13 to 15 of these Channels 30 are usually sufficient to carry out the process on a large scale.

Stromabwärts von der Verteilerplatte 28 wird das sauerstoffreiche Oxydationsmittel durch die Leitung 32 eingeführt, die sich tangential in den Verbrennungsraum 16 am Umfang von ihm in der inneren Wandung der Hülse 12 öffnet. Die durch eine solche Einführung erzeugte rotierende Bewegung bewirkt ein ausgezeichnetes Mischen des oxydierenden Gases mit dem Brennstoff, der durch die Kanäle 30 eintritt. Hierdurch wird eine schnelle, stabile Verbrennung hoher Intensität im Verbrennungsraum 16 erzielt. Bei der Verbrennung werdenDownstream of the manifold plate 28, the oxygen-rich Oxidizing agent introduced through line 32 which extends tangentially into combustion chamber 16 at the periphery of it opens in the inner wall of the sleeve 12. The rotating movement produced by such an introduction causes it excellent mixing of the oxidizing gas with the fuel entering through channels 30. This will a fast, stable, high-intensity combustion in the combustion chamber 16 is achieved. When burning will be

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stündlich mehr als 180 χ 1O⁶ kgcal/m³ (20 χ 1O⁶ BTU/St/cuft) üblicherweise entwickelt. Auch Wärmeentwicklungen der doppelten oder sogar der hundertfachen Höhe im Verbrennungsraum 16 sind nicht unüblich,wenn man in den geeigneten Mengenverhältnissen ein an Sauerstoff angereichertes Gas und einen Brennstoff hohen Heiswertes verwendet.More than 180 χ 1O ⁶ kgcal / m ³ (20 χ 1O ⁶ BTU / St / cuft) usually developed every hour. Heat development of twice or even a hundred times the height in the combustion chamber 16 is also not uncommon if an oxygen-enriched gas and a fuel with a high calorific value are used in the appropriate proportions.

Um ein Verbrennungsgas dieser hohen Temperatur wirksam verwenden zu können^ sollte die innere Hülse 12 nicht isoliert sein. Im Gegensatz hierzu sind die Hülsen 12 und aus einem Stoff hoher thermischer Leitfähigkeit, z. B. Aluminium, gebaut, und sine Kühlflüssigkeit wie Wasser läuft schnell durch den Kanal 18_e Dadurch wex'den die Schwierigkeiten einer teueren hiizefestsn Isolierung vermieden, welche die hohen Tempsraturen und dem thermischen Schock aushalten müßte«.In order to effectively use a combustion gas of this high temperature, the inner sleeve 12 should not be insulated. In contrast, the sleeves 12 and 12 are made of a material of high thermal conductivity, e.g. B. aluminum, and its cooling liquid like water runs quickly through the channel 18 _e. This avoids the difficulties of an expensive high-temperature insulation which would have to withstand the high temperatures and thermal shock.

Wie schon bemerkt, ist der Druck im Verbrennungsraum 16 wichtig für die erfolgreiche Durchführung des Verfahrens. ψ In der Regel benötigt man einen Überdruck von mehr als etwa 0,07 Atmosphären, um einen gleichmäßigen Strom des Verbrennungsgases zu erhalten, der in die nächste Stuf© geleitet wird, wo der dampffärmig® und/oder atomisierte Ausgangsstoff eingeführt wird. Vorzugsweise hält man den Überdruck in der Verbrennungskammer zwischen etwa 0,07 und etwa 1,4 Atmosphären. Dadurch wird nicht nur ein genügend starker uni zusammenhängender Strom des heißen Verbrennungsgases erreicht, sondern die Verbrennung findet auch stabil innerhalb eines weiten Bereiches der Verbrennungsbedingungen, z. B. innerhalb eines weiten Bereiches des Verhältnisses von Sauerstoff zu Brennstoff, statt. Hierbei kann das oxydierendeAs already noted, the pressure in the combustion chamber 16 is important for the successful implementation of the method. ψ As a rule, an overpressure of more than about 0.07 atmospheres is required in order to obtain a steady flow of the combustion gas, which is directed to the next stage, where the vaporized and / or atomized starting material is introduced. Preferably, the overpressure in the combustion chamber is maintained between about 0.07 and about 1.4 atmospheres. As a result, not only is a sufficiently strong uni-contiguous flow of the hot combustion gas achieved, but the combustion also takes place stably within a wide range of combustion conditions, e.g. B. within a wide range of the ratio of oxygen to fuel instead. Here the oxidizing

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Gas solche Mengen an molekularen Sauerstoff enthalten, die etwa 50 bis 500%, vorzugsweise etwa 70 bis etwa 350% des Brennstoffes entsprechen, der zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffes zu Kohlendioxyd Wasser etc. nötig ist.Gas contain such amounts of molecular oxygen that about 50 to 500%, preferably about 70 to about 350% of the Fuel, which is necessary for complete combustion of the fuel to carbon dioxide, water, etc.

Naoh dem Einstellen des Stromes des heißen Verbrennungsgases wird der Ausgangsstoff in Form von Dampf oder atomisiert von außen her, vorzugsweise etwa senkrecht zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases, in dieses eingeführt, wozu mehrere Mundstücke 34 verwendet werden, die durch die innere Hülse 12 führen. Diese Mundstücke 34 können die Form von Düsen haben. Man kann sie so betreiben, daß der flüssige Ausgangsstoff fein versprüht oder atomisiert wird und in den Strom des Verbrennungsgases eindringt. Wenn man den Ausgangsstoff in Dampfform verwendet, so brauchen die Mundstücke 34 in der Hülse 12 nicht verengt zu sein. Aus ihnen strömt der dampfförmige Ausgangsstoff quer in den Strom des Verbrennungsgases, Der Ausgangsstoff wird den Mundstücken mit gleichbleibender Geschwindigkeit durch die Leitungen 36 oder andere Mittel zugeführt. Die Mundstücke 34 können beliebige geeignete Durchmesser haben. Die gesamte Anzahl der Mundstücke 34 einer gegebenen Größe hängt ab von der gesamten Zuführungsgeschwindigkeit des Ausgangsstoffes, die ihrerseits abhängig ist von der Zusammensetzung des heißen Verbrennungsgases und der Gesamtmenge der Ausgangsstoffe, die bei der Herstellung von Ruß verbrannt werden soll.After adjusting the flow of hot combustion gas the starting material is introduced into the combustion gas in the form of steam or atomized from the outside, preferably approximately perpendicular to the direction of flow of the combustion gas, for which purpose a plurality of mouthpieces 34 can be used, which lead through the inner sleeve 12. These mouthpieces 34 can take the form of Have nozzles. You can operate it so that the liquid starting material is finely sprayed or atomized and in the flow of combustion gas penetrates. If you use the raw material in vapor form, you need the mouthpieces 34 not to be constricted in the sleeve 12. Streams from them the vaporous starting material transversely into the flow of the combustion gas, The starting material is fed to the mouthpieces at a constant speed through the pipes 36 or other means supplied. The mouthpieces 34 can have any suitable diameter. The total number of mouthpieces 34 of a given size depends on the total feed rate of the starting material, which in turn depends on the composition of the hot Combustion gas and the total amount of raw materials to be burned in the production of soot.

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Die beschriebene Art der Einführung des Kohlenstoff enthaltenden Ausgangsstoffes von außen und quer zur Strömungsrichtung des Verbrennungsgases in Form von mehnsrHiStrömen sichert eine gleichmäßige, schnelle und feine Verteilung des Ausgangsstoffes in dem Verbrennungsgas.The type of introduction of the carbon-containing starting material described from the outside and across the The direction of flow of the combustion gas in the form of several high currents ensures a uniform, rapid and fine distribution of the starting material in the combustion gas.

Das so erhaltene Umsetzungsgemisch enthält die gesamte vorhandene oder potentielle Wärme und die gesamte M_enge an Kohlenstoff die zur nachfolgenden Erzeugung von Ruß erforderlich ist. Man muß jetzt nur auf die notwendige Verweilzeit achten. Das geschieht dadurch, daß man das Umsetzung^ gemisch in einen geeigneten Reaktionsraum einströmen läßt. Es kann beispielsweise ein an einem Ende offener Behälter mit dem Ende der Vorrichtung verbunden sein, wozu auf-einanderpassende Flansche 38 und 32 mit Bolzenlöchern"44 und 44' dienen. Der Reaktionsraum 46 in dem Behälter 40 sollte keine Hindernisse enthalten und in der Regel am Einlaßende 47 einen größeren Querschnitt haben, als das Auslaßende 49 der Vorrichtung 10. Das Einlaßende 47 des Reaktionsraumes sollte vorzugsweise einen mindestens doppelt so großen Querschnitt haben, als das Aulaßende 49 der Vorrichtung Die Länge des Reaktionsraumes 46 ist abhängig von der maximalen Verweilzeit für die Bildung von Kohlenstoff. Die genaue jeweilige Verweilzeit hängt natürlich ab von den jeweiligen Reaktionsbedingungen und von der Art des zu gewinnenden Rußes. Im allgemeinen wird eine Verweilzeit von etwa 1 bis etwa Millisekunden für die meisten Rußarten benötigt.The reaction mixture thus obtained contains the entire existing or potential heat and the entire M _e length of carbon which is necessary for subsequent generation of soot. You just have to pay attention to the necessary dwell time. This is done by allowing the reaction mixture to flow into a suitable reaction space. For example, a container open at one end can be connected to the end of the device, for which purpose mating flanges 38 and 32 with bolt holes "44 and 44 '". The reaction space 46 in the container 40 should contain no obstacles and as a rule at The inlet end 47 has a larger cross-section than the outlet end 49 of the device 10. The inlet end 47 of the reaction space should preferably have a cross-section at least twice as large as the outlet end 49 of the device. The length of the reaction space 46 is dependent on the maximum residence time for formation The exact particular residence time will of course depend on the particular reaction conditions and the type of carbon black being recovered, and generally a residence time of from about 1 to about milliseconds is required for most types of carbon black.

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Um die Bildung von Ruß zum gewünschten Zeitpunkt zu unterbrechen und um damit die Verweilzeit zu regeln, sind Düsen zum Versprühen einer Flüssigkeit an geeigneten Stellen im Reaktionsraum 46 angeordnet. In der Zeichnung sind zwei solcher Düsen 48 dargestellt. Zum Abschrecken wird die zu versprühende Flüssigkeit, in der Regel Wasser, den Düsen 48 durch die leitungen 50 zugeführt. Man kann auch zur besseren Einstellung verschiedener Verweilzeiten bei einem gegebenen Durchsatz ober bei Änderung des Durchsatzes bei gegebenen Yerweilzeiten mehr als eine Rrihe von solchen Sprühdüsen vorsehen. Zusätzliche Düsen 48 können beispielsweise an anderen Stellen angeordnet sein, was in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist. Da die Bildung von Kohlenstoff durch das Abschrecken beendet wird, besteht das Gemisch, welches aus dem Reaktionsraum 46 durch den Auslaß 52 austritt, im allgemeinen aus einem heißen Aerosol von Ruß, der in einem Gas suspendiert ist. Nach dem Austritt aus 52 wird dieses heiße Aerosol in üblicher Weise gekühlt, worauf man die Festteilchen abtrennt und in üblicher Weise sammelt.In order to interrupt the formation of soot at the desired point in time and thus to regulate the dwell time, For example, nozzles for spraying a liquid are arranged at suitable locations in the reaction space 46. In the drawing two such nozzles 48 are shown. The liquid to be sprayed, usually water, is used for quenching Nozzles 48 fed through lines 50. You can also set different dwell times for better setting a given throughput or, if the throughput is changed for given dwell times, more than a row of such Provide spray nozzles. Additional nozzles 48 can, for example, be arranged at other locations, which is shown in FIG Drawing is indicated by arrows. Since the quenching stops the formation of carbon, there is the mixture exiting reaction space 46 through outlet 52 is generally hot Aerosol of soot suspended in a gas. After exiting 52, this hot aerosol becomes more common Cooled way, whereupon the solid particles are separated off and collected in the usual way.

Der Behälter 46 kann aus üblichem hitzebeständigen Material bestehen. Häufig ist es aber vorteilhaft, daß er ebenso wie die Vorrichtung 10 aus einem Stoff guter thermischer Leitfähigkeit besteht, z. B. aus Metall, und umgeben ist von einem Kühlmantel 54. Durch diese führt man mittels des Einlasses 56 und des Auslasses 58 ein geeignetes Kühlmittel wie Wasser.The container 46 can be made of conventional refractory material. But it is often advantageous that he does the same how the device 10 is made of a material of good thermal conductivity, e.g. B. made of metal, and is surrounded from a cooling jacket 54. A suitable coolant is passed through this by means of the inlet 56 and the outlet 58 like water.

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Das Kühlen wenigstens der Wandungen der Verbrennungskammer und vorzugsweise auch der Reaktionskammer ist die bequemste und wirtschaftlichste Art des Betriebes. Es können aber auch Vorrichtungen mit anderen Kühlverfahren oder aus anderen Stoffen verwendet werden. Man kann beispielsweise einige der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Ausgangsstoffe um oder durch die Wandung leiten, um damit einen Anteil der Wärme abzuführen. In jedem Falle können der Brennstoff^ das Oxydationsmittel und der Ausgangsstoff vorgewärmt werden, bevor sie in die verschiedenen Reaktionszonen eingeführt werden. Ein solches Vorv/ärmen 1st häufig sehr erwünscht, um die Eigenschaften des zu erhaltenden Rußes zu regeln oder um den Ausgangsstoff leichter atomisieren zu können„Cooling at least the walls of the combustion chamber and preferably also the reaction chamber is the most convenient and economical way of operating. However, devices with other cooling methods or made from other materials can also be used. For example, some of the starting materials used for the process according to the invention can be passed around or through the wall in order to dissipate some of the heat. In either case, the fuel, the oxidizer, and the feedstock can be preheated before they are introduced into the various reaction zones. Such a preliminary reduction is often very desirable in order to regulate the properties of the carbon black to be obtained or to be able to atomize the starting material more easily "

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Claims

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Claims

1, process for the production of carbon black, characterized in that a liquid or gaseous fuel with a gas containing at least 50 percent by volume of molecular oxygen is burned at an overpressure of at least about 0.07 atmospheres in a closed combustion zone and the flow of the resulting combustion gas is diverted; that a vaporous or atomized, carbon-containing, combustible starting material is introduced into this stream of combustion gas from the outside at such a rate that the resulting reaction mixture has a temperature of at least about 1300 ^° C .; that the resulting reaction mixture is kept under such conditions for so long that carbon particles are formed; that the mixture containing the carbon particles is rapidly cooled to such an extent that no more carbon is produced; and separating the carbon particles from the mixture.

2. The method according to claim 1, characterized in that there is used an oxidizing gas which is at least contains about 90 percent by volume of molecular oxygen.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a fuel is used which is rich in hydrocarbons is.

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4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the combustion is regulated so that hourly at least about 180 χ 10 kgcal / m ^ (20 χ 10 BTU / St / cuft).

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the combustion is carried out in the combustion zone under a pressure of about 0.07 to about 1.4 atmospheres.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the temperature of the reaction mixture between the introduction of the starting material and the rapid cooling is kept at at least about 1600 ⁰ C _o

7. The method according to claim 6, characterized in that the temperature of the reaction mixture between the

_fc introduction of the starting material and rapid cooling * at at least about 1900 ⁰ C.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that there is an oxidizing gas with a such amount of molecular oxygen is used that about 70 to about 50,096 of the fuel is complete can be incinerated, and that one introduces the starting material in such an amount that less than about Burn 5'öjS from him.

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9. The method according to claim 8, characterized in that that one uses an oxidizing gas with such an amount of molecular oxygen that about 70 to about 35096 of the fuel can be completely burned and that the starting material is imported in such a quantity that less than 45% of it burns »

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that one consists essentially of hydrocarbons existing raw material used.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the starting material is preheated prior to insertion.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, thereby characterized in that the starting material is atomized Introduces shape.

13. The method according to claim 12, characterized in that the starting material is atomized by pressure.

14. The method according to claim 12, characterized in that that the starting material is atomized using a carrier liquid.

15. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the starting material is in vapor form introduces.

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16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized characterized in that the rapid cooling for a period of about one to about 100 milliseconds after the introduction of the starting material.

17. The method according to any one of claims 1 to 16, characterized in that the unisetzgemisch is the same

b after introducing the starting material quickly ™ at least about twice the original cross-section can be expanded.

18. The method according to any one of claims 1 to 17, characterized characterized in that the starting material is introduced into the flow of the combustion gas approximately perpendicular to its direction of flow introduces.

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