DE2156116A1

DE2156116A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ruß

Info

Publication number: DE2156116A1
Application number: DE19712156116
Authority: DE
Inventors: Joseph Charles Phillips Tex. Krejci (V.St.A.). P
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1970-11-18
Filing date: 1971-11-11
Publication date: 1972-05-31
Also published as: FR2114861A5; MY7500068A; US3726964A; NL7115836A; GB1355541A; ES397118A1; TR17203A; SE371646B; ZA716468B; BR7107067D0; IT940662B; CA960837A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ruß durch pyrolytische Zersetzung eines Kohlenwasserstoffausgang smaterials und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung das Einspritzen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials in den Rußofen.

In jüngster Zeit wurde ein Verfahren zur Herstellung von Ruß durch pyrolytische Zersetzung eines Kohlenwasserstoffausgangsmaterials entwickelt (belgische Patentschrift 743 779) bei dem das Ausgangsmaterial in Berührung mit heißen Verbrennungsgas en gebracht und als eine hochkonzentrierte Masse von fein zerteilten Teilchen eingegeben wird. Das Ausgangsmaterial wird auf eine Temperatur im unteren Bereich der Rußbildungstemperatur gebracht und als eine heiße konzentrierte Masse mit niedrigen Geschwindigkeiten durch die Reaktionszone geleitet, um einen Ruß mit besonders großen Teilchen und niedriger Struktur zu bilden.

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Dieses Verfahren wird vorzugsweise in einem vertikalen Reaktor durchgeführt, indem das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial abwärts in den Reaktor in die heißen Verbrennungsgase eingespritzt wird, wobei die heißen Verbrennungsgase durch die Oxidation;eines Brennstoffes mit einem oxidieren— den Mittel, vorzugsweise Luftjerzeugt werden, wobei die Luft in einer Menge im Bereich von 1,8 bis 3,4 m /pro 1 Kohlenwasserstoffausgangsmaterial zugeführt wird. Die Reaktionsmasse, die aus dem Ausgangsmaterial und den Verbrennungsgas en gebildet wird, wird durch die Reaktionszone mit einer Geschwindigkeit im Bereich von etwa 1,1 bis 3,4 m pro Sekunde bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1316 bis 1371°C erführt. Allgemeiner wird die Reaktion bei Reaktor ge schviindigk ei ten von weniger als etwa 4,5 m pro Sekunde und bei Temperaturen innerhalb der unteren 15% des Bereiches der Rußbildungstemperaturen durchgeführt. Die bevorzugten R«aktorbetriebsdrucke sind von etwa 1 bis 2 atm. abs.

Der Erfolg des Verfahrens hängt zum großen Teil von der Geschwindigkeit ab, mit der das vorerhitzte Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in die oben beschriebenen Betriebsbedingungen gebracht wird, d.h. wie schnell das Kohlenwasserstoffaus— gangsmaterial in eine konzentrierte Masse in den Verbrennungsgasen bei der gewünschten Geschwindigkeit und Temperatur gebracht werden kann.

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß diese Ziel erreicht werden kann, indem das Kohlenwasserstoffgausgangsmaterial bei Überschallgeschwindigkeiten in den Reaktor eingeleitet wird. Die Erfindung liefert ein Verfahren und eine Vorrichtung, um dieses zu tun, und ist, auch wenn sie sich besonders für die Verwendung bei dem oben genannten Verfahren eignet, ebenso bei allen Verfahren verwendbar, bei denen Ruß durch pyrolytische Zersetzung eines Ausgangsmaterials erzeugt wird.

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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erzeugung von Ruß geliefert, das das Einleiten eines Kohlenwasserstoffausgangsmaterials in eine Masse von heißen Verbrennungsgasen umfaßt, um eine Reaktionsmasse zu bilden, wobei das Ausgangsmaterial bei einer Geschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit bei den Reaktorbedingungen der Temperatur und des Druckes eingeleitet wird, um das Ausgangsmaterial in den heißen Verbrennung sgasen als eine konzentrierte Masse von fein verteilten Teilchen zu zerstäuben, und das weiter das Führen der Reaktionsmasse durch den Reaktor unter den oben genannten Bedingungen umfaßt.

Die Erfirdung liefert eine Düse für das Einspritzen eines Kohlenwasserstoffstromes in einen Rußofen, die wenigstens eine Öffnung, die sich für das Ausstrahlen eines Kohlenwasserstoff au sgangsmateri als bei einer Geschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit eignet, und vorzugsweise wenigstens eine Öffnung umfaßt, die sich für das Ausstrahlen eines Kohlenwasserstoffaungangsmaterials bei einer Geschwindigkeit kleiner als die Schallgeschwindigkeit eignet.

Die im folgenden beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen der Düse erleichtern die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, teilweise indem Stoßwellen am Ausgang von den Düsen gebildet werden, wobei die Stoßwellen die Wirkung haben, das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial zu verteilen und es in die Lage zu versetzen, schnell in die optimalen Bedingungen gebracht zu werden, die für die Durchführung der pyrolytischen Zersetzung erwünscht sind.

Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.

Fig. 1 und 2 zeigt eine Düse, die eine einzige Öffnung umfaßt, wobei die Ausgabe durch die Öffnung mit Überschallgeschwindigkeit erfolgt.

Fig. 3 und 4 zeigt eine Düse, die eine Vielzahl von Öffnungen umfaßt, wobei die Ausgabe durch alle Öffnungen mit Überschallgeschwindigkeit erfolgt.

Fig. 5 und 6 zeigt eine Düse, die eine zentral angeordnete Öffnung und eine Vielzahl diese umgebende Öffnungen umfaßt, wobei die Ausgabe durch die zentral angeordnete Öffnung mit

Überschallgeschwindigkeit und die Ausgabe durch die umgebenden Öffnungen mit Unterschallgeschwindigkeit erfolgt.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Düse 1 gezeigt, die an ihrem P Einlaßende 7 mit einer geeigneten Einrichtung, z.B. einem Gewinde 2, -für die Befestigung an der Zuführungsleitung für das Ausgengsmaterial versehen ist und ein Auslaßende 3 aufweist. Der Durchgang durch die Düse umfaßt zwei Abschnitte

4 und 5, wobei der Abschnitt 4 sich verengt und der Abschnitt

5 sich von der Halsstelle 6 erweitert. Sowohl die Verengung des Abschnittes 4 als auch die Erweiterung des Abschnitts 5 kann irgendeinen Winkel aufweisen, bei dem eine Überschall— strömung erzeugt wird, auch wenn eine Verengung von etwa

38 bis 40° und eine Erweiterung von etwa 30° als zufriedenstellend festgestellt wurde. Es kann irgendein Durchmesserverhältnis für die Abschnitte 4 und 5 verwendet werden, das Il eine Überschallgeschwindigkeit des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials vom Auslaßende 3 liefert.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Düse 11 gezeigt, die an ihrem Einlaßende 17 mit einer geeigneten Einrichtung, z.B. Gewinde 12, für die Befestigung an der Zuführungsleitung für das Ausgangsmaterial versehen ist und ein Auslaßende 13 aufweist. Eine Vielzahl von Durchgängen 18 ist aus Abschnitten 14 und 15 gebildet, die jeweils eine sich verengende und sich erweiternde Form haben. Halsabschnitte 16 befinden sich zwischen den Abschnitten 14 und 15. Abgesehen davon, daß eine Vielzal von Durchgängen durch die Düse vorhanden ist, ist sie mit der Düse der Fig. 1 in jeder Hinsicht vergleichbar.

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Es kann irgendeine Anzahl von Durchgängen verwendet werden, wobei diese Durchgänge in irgendeiner Anordnung vorgesehen sein können, aber vorzugsweise wird wenigstens ein zentral angeordneter Durchgang verwendet, der durch einen Ring von Durchgängen eingeschlossen ist. Ebenso können alle Durchgänge den gleichen Durchmesser aufweisen oder die Durchgängen können verschiedene Abmessungen haben, um dem. durch die Durchgänge durchtretenden Fluid verschiedene Geschwindigkeiten zu erteilen, wobei alle Geschwindigkeiten größer als die Schallgeschwindigkeit sind«

In den Fig. 5 und 6 ist eine Düse 2? qezeigt, die an ihrem Einlaßende 27 mit einer geeignete^ Einrichtung _¥ z.B. mit einem Gewinde 22, zum Befestigen an der Zuführungsleitung für das Ausgangsmaterial versehen ist und ein Auslaßende 23 aufweist. Diese Düse besitzt einen mittleren Durchgang, der sich verengende und sich erweiternde Abschnitte 24 und 25 und einen Halsabschnitt 26 umfaßt, und durch den dem Köhlenwasserstoffausgangsmaterial eine Überschallgeschwindigkeit erteilt wird, und eine Reihe von Durchgängen 29, durch die einem Teil des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials Geschwindigkeiten erteilt werden, die kleiner als die Schallgeschwindigkeit sind. Wenn es erwünscht ist, kann die Reihe von Durchgängen durch einen Ring ersetzt werden. Ebenso kann, wenn es erwünscht ist, eine zentral angeordnete Öffnung verwendet werden, um das Ausgangsmaterial bei Geschwindigkeiten unter der Schallgeschwindigkeit einzuführen, und wenigstens ein peripher angeordneter Durchgang kann dazu verwendet werden, das Ausgangsmaterial mit Überschallgeschwindigkeit einzuleiten. Der ringförmige Durchgang oder die einzelnen Durchgänge können parallel zur Mittelachse der Düse oder unter einem Winkel zu dieser angeordnet sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt unter den oben genannten Betriebsbedingungen Ruße, die sich wesentlich von denen unterscheiden, die durch Mehrstromdüsen erzeugt werden, welche bei Geschwindigkeiten unter der Schallgeschwindigkeit einstrahlen.

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Beispiel:

Die in den Fig. 1 und 5 dargestellten Düsen wurden bei der Herstellung eines Rußes mit großer Teilchengröße verwendet, und eine Düse mit mehreren Öffnungen, die bei Unterschalige— schwindigkeiten einstrahlt, wurde für Vergleichszwecke in einem vertikalen Reaktor unter den für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besten Bedingungen verwendet; Luft wurde als Oxidationsmittel in den Reaktor an seinem Umfang stromauf ungefähr an der Stelle des Auslasses der Düse für das Ausgangsmaterial und ebenso stromabwärts davon in einem Abstand der ungefähr gleich dem Durchmesser des Reaktors ist, eingeleitet. Der Reaktordruck war bei allen Versuchen 1,29 Atmosphären absolut.

Es wurden folgende Ergebnisse erhalten: Düse

Kohlenwasserstoffausgangsmaterial (l/h) ₃

Zerstäubungsluft (m /h) _ Axial zugeführte Luft (in /h) Am Umfang zygef. Luft stromauf (m /h) Am Umfang zugef· Luft stromab (m /h) Am Umfang zugef. Gasmenge stromauf (m /h)

Analyse des Produkts

Fig. 1	Fiq. 5	Mehrstrom mit
		Unterschall geschwindigkeit
364 169 141	353 169 141	334 169 141
424	424	424
424	424	424
28	28	28

Photelometer %	90	89	92
!^-Oberfläche m²/g	16,2	20,2	22,6
Struktur, cc/100 gm (DPB)	32	29	30
Ausbeute (g/l)	606	560	565
Kohlenstoffablagerung am Reaktor	keine	keine	Film

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Die Düse nach Fig. 1 verengte sich mit einem eingeschlossenen Winkel von 38° und erweiterte sich mit einem eingeschlossenen Winkel von 30°. Die Düse nach Fig. 5 verengte sich mit einem eingeschlossenen Winkel von 60° und erweiterte sich mit einem· eingeschlossenen Winkel von 30°.

Die oben angegebenen Werte zeigen, daß bei Verwendung von Überschalldüsen keine Kohlenstoffablagerungen am Reaktor auftraten, während Kohlenstoff am Reaktor abgelagert wurde, wenn unter sonst im wesentlichen identischen Bedingungen die Unterschalldüse verwendet wurde. Daraus ist zu sehen, daß der Betrieb mit den Überschalldüsen den Betriebszyklus verlängert.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Ruß durch pyrolytische Zersetzung eines Kohlenwasserstoffausgangsmaterials, bei dem ein Kohlenwasserstoffausgangsmaterial abwärts in eine Masse von heißem Verbrennungsgas als eine konzentrierte Masse von fein verteilten Teilchen eingeführt wird, wobei das heiße Verbrennungsgas durch die Verbrennung eines

™ Brennstoffs mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas erzeugt

3 wird, welches in einer Menge im bereich von 1,8 bis 3,4 m /1 . Ausgangsmaterial zugeführt wird, bei dem die entstehende Reaktionsmasse durch eine Rußerzeueungszone unter Ruß— erzeugungsbedJngungen geführt wird, was eine Geschwindigkeit im Bereich vor. 1,1 bis 3,4 m/Sekunde bei einer Temperatur im Bereich von 1316° bis 1371°C einschließt, um Ruß zu bilden, und bei dem der Ruß aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens sin Teil des Ausgangsmaterials in das Verbrennungsgas mit Überschallgeschwindigkeit eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Menge des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials bei Überschallgeschwindigkeit eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geterinzeichnet, daß das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial als eine Vielzahl von Strömen eingeführt wird, wobei nur ein Teil dieser Ströme Überschallgeschwindigkeit hat.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial als eine Vielzahl von Strömen rings um einen zentral eingeführten Strom eingeführt wird, wobei der zentral eingeführte Strom mit einer Geschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit eingeleitet wird. 209823/099?

5· Düse zum Einführen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials zur Verwendung bei einem Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse wenigstens eine Öffnung zum Einleiten von Kohlenwasserstoffausgangsmaterial bei einer Geschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit .und wenigstens eine.·: Öffnung zum Einleiten von Kohlenwasserstoff au sgangsmaterial bei einer Geschwindigkeit kleiner als die Schallgeschwindigkeit aufweist·

6. Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung zum Einleiten von Kohlenwasserstoffausgangsmaterial bei einer Geschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit sich mittig bezüglich einer Vielzahl von ringsum angeordneten Öffnungen zum Einleiten von Kohlenwasserstoffausgang smaterial bei einer Geschwindigkeit kleiner als die Schallgeschwindigkeit befindet.

7. Düse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Düse zum Einleiten von Kohlenwasserstoffausgangsmaterial bei einer Geschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit mittig bezüglich einer ringförmigen Öffnung zum Einleiten von Kohlenwasserstoffausgangsmaterial bei einer Geschwindigkeit kleiner als die Schallgeschwindigkeit befindet.

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