DE2302197A1

DE2302197A1 - Verfahren zur herstellung von russ

Info

Publication number: DE2302197A1
Application number: DE2302197A
Authority: DE
Inventors: Robert Edward Dollinger
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1972-01-17
Filing date: 1973-01-17
Publication date: 1973-08-09
Also published as: FR2168330B1; JPS4881794A; IT978201B; AU4975772A; FR2168330A1; ZA728330B

Description

Dr. F. Zumsteln sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenlgsberger - Dfpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

PATENTANWÄLTE ? ^ Π 9 1 Q 7

TELEFON: SAMMEL-NR. ««34, ·. 8 MDNOH EN 2.

TELEX 020979 BRAUHAU83TRASSE 4/III

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BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHAUSER

4/M

ßerm.0 22 495
US 0 21 590

Phillips Petroleum Company, Bartleaville, OkI.USA

Verfahren zur Herstellung von Ruß.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ruß, bei dem ein Venturitriehter in der Reaktionszone eines Vorverbrennungsreaktors verwendet wird.

Bei der Herstellung von Ruß durch pyrolitsche Zersetzung eines Kohlenwasserstoffausgangsmaterials, bei der das Ausgangsmaterial auf seine Zersetzungstemperatur gebracht wird, indem es mit heißen Verbrennungsgasen in Berührung gebracht wird, die durch die Verbrennung eines Brennstoffes, wie z.B. Erdgas, mit einem Oxydationsmittel, wie z.B. Luft, erzeugt werden, wird die Reaktionsmasse durch eine Reaktionszone unter·den Bedingungen der Rußerzeugung geleitet, wobei angenommen wird, daß der Hmiptteil des Rußes in dieser Reaktionszone gebildet wird. Der Ruß wird an dem stromab liegenden Ende des Reaktors aufgefangen.

Einer der besten Reaktoren für die Rußerzeugung ist der Vorverbrennung sr eakt or, wie er in den US-Patentschrift 2 564 700

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beschrieben ist.

Die Arbeitsweise von Reaktoren ähnlichen Aufbaus mit einem Venturitrichter, der sich in der Reaktionszone befindet, d.h. 'in der ersten Zone stromab von der Vorverbrennungszone, ist z.B. aus der US-PS 5 490 869 bekannt.

Es wurde jedoch gefunden, daß bei der Erzeugung von Ruß unter Verwendung eines Vorverbrennungsreaktors mit einem Venturitrichter in der Reaktionsz'one Ruße erzeugt werden können, die dem Kautschuk eine ungewöhnlich hohe Abriebswiderstandsfähigkeit verleihen, wenn die axiale Einlaßdüse für das Ausgangsmaterial so angeordnet ist, daß das Ausgangsmaterial in einem Bereich &s Verhältnisses ausgelassen wird, das den Abstand oberhalb des Einlasses zu dem Venturitrichter, an dem das Kohlenwasserstoffmaterial ausgelassen wird, und den Durchmesser der Verengung oder den geringsten Durchmesser des Venturitrichters enthält.

Die Erfindung liefert ein Verfahren zur Erzeugung von Ruß, das daraus besteht," daß eine Reaktionsmasse gebildet wird, die ein Kohlenwasserst of fausgangsmaterial, das in die Vorverbrennungszone ausgelassen wird, und heißes Verbrennungsgas, das in diese eingeleitet wird, enthält, und daß die Reaktionsmasse durch einen Venturitrichter geführt wird, der sich stromab von der Vorverbrennung s ζ one in der Reaktionszone befindet, um Ruß zu bilden. Ruß mit vorteilhaften Eigenschaften wird erzeugt, wenn das Verhältnis zwischen (1) dem Abstand L von dem Einlaß zu dem Venturitrichter zu dem Ort, an dem das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in die Vorverbrennungszone ausgelassen wird, und (2) dem minimalen Durchmesser D der Venturitrichterver engung in dem Bereich von etwa 0,29 bis etwa 1,25 liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann betrieben werden, indem solche Kohlenwasserstoffausgangsmaterialien, Brennstoffe und

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gasförmige Oxydationsmittel, einschließlich von Petroleum abgeleiteter Ausgangsmaterialien, Erdgas und Luft, verwendet werden, wie sie herkömmlicherweise zur Erzeugung von Ruß verwendet werden. In gleicher Weise werden die bekannten Betriebsbedingungen verwendet, einschließlich Temperaturen, Drucken, Luft-zu-Ölverhältnissen, Luft-zu-Gasverhältnissen und ähnlichem. Das Verfahren wird in einem Vörverbrennungsreaktor der genannten Art durchgeführt, bei dem die Einlaßdüse, die für das axiale Einleiten des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials verwendet wird, so angeordnet ist, daß das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in einem bestimmten, festgelegten Bereich längs der Längsachse des Reaktors ausgelassen wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbe!spielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform des Vorverbrennungsreaktors.

Fig. 3 zeigt die Änderung der Eigenschaften des erzeugten Rußes und die kritische Abhängigkeit in bezug auf das Auslassen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials längs der Längsachse der Vorverbrennungsz one.

Fig. 1 zeigt einen Reaktor 1 mit einer axialen Zone 2, die wahlweise ist, einer Vorverbrennungszone 3 und einer Reaktionszone 4, in welcher sich der Venturitrichter 10 befindet. Der Ruß wird als Rauch durch den Auslaß 5 gewonnen.

In die Vorverbrennungszone 3 ragt die Düse 6 für das Kohlenwasserstoff ausgangsmaterial, die in ihrer Lage veränderbar ist, um das Ausgangsmaterial längs der horizontalen Achse 17 der Vorverbrennung sz one auszulassen. Die Düse 6 kann mit Zuleitungen 7 und 8 kombiniert sein, durch welche Luft und/oder Brennstoff axial eingeführt werden kann.

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Die Vorverbrennungszone 3 ist mit einer oder mehreren Verbrennungsöffnungen 9 versehen, durch welche Brennstoff und ein gasförmiges Oxydationsmittel oder die heißen Verbrennungsprodukte, die durch die Oxydation eines Brennstoffes erzeugt werden, eingeleitet werden. Diese heißen Verbrennungsgase vereinigen sich mit dem Kohlenwasserstoffausgangsmaterial, das durch den Einlaß 6 eingeleitet wird, so daß eine Reaktionsmasse unter den Rußerzeugungsbedingungen gebildet wird.

Die Reaktionsmasse wird in die Zone 4 geleitet, die vorzugsweise an ihrem Einlaßende 16 mit einem Venturitrichter 10 versehen ist. Dieser Venturitrichter kann irgendeine Größe und Gestalt haben. Er kann sich an irgendeiner Stelle in der Rekationszone so befinden, daß die Rußbildung nicht im wesentlichen beendet ist, bevor die Reaktionsmasse in den Einlaßkonus 11 des Venturitrichters eintritt. Vorzugsweise ist der Venturitrichter so angeordnet, daß der Einlaß 16 zu seinem sich verengenden Konus 11 mit der stromab liegenden Wand 20 der Vorverbrennungszone zusammenfällt.

Vorzugsweise besteht der Venturitrichter aus Konusteilen 11 und 12, die an ihren kleineren Durchmessern 13 und 14 durch einen dazwischen gesetzten Abschnitt 15 von im wesentlichen konstantem Durchmesser verbunden sind. Der Venturitrichter kann jedoch auch aus einem konvergierenden und einem divergierenden Konus bestehen, ohne daß ein dazwischen liegender Abschnitt 15 vorhanden ist Vorzugsweise ist der Konvergenzwinkel des Einlaßkonus größer als der Divergenzwinkel des Auslaßkonus.

Die Einlaßdüse 6 für das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial kann irgendeine bekannte Düsenform sein. Die Düse besitzt einen eingeschlossenen Sprühwinkel von etwa 0 bis 90°. Die Düse kann das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in der Form eines massiven Kernes, eines Kegels oder eines Hohlkegels entweder als Ausgangsmaterialmasse oder als mit einem Zerstäubungsgas vermischtes

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Ausgangsmaterial auslassen.

Die Vorverbrennungszone 3 kann irgendeine Länge und irgendeinen Durchmesser haben. Wie Fig. 2 zeigt, sind die öffnungen 9 vorzugsweise so angeordnet, daß sie tangential in die Vorverbrennungskamraer durch deren Außenumfangswand führen.·

Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß die Rußeigenschaften kritisch von der Lage der Ausgangsmaterialdtise in der Vorverbrennungskammer in bezug auf den Einlaß des Venturitrichters und in bezug auf den Durchmesser des engsten Abschnittes des Venturitrichters abhängen.

Die Erfindung wird am besten durch die verbesserten Eigenschaften des erfindungsgemäß hergestellten Rußes deutlich gemacht, wenn dieser Ruß Kautschuk zugegeben wird und dessen Abriebswiderstand bei 9650 km bestimmt wird.

Zu diesem Zwecke wurde eine Reihe von Versuchen unter Bedingungen durchgeführt, die auf die Erzeugung von Ruß von im wesentlichen derselben Oberfläche gerichtet waren. Diese Versuche wurden durchgeführt, wobei dasselbe Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in demselben Reaktor unter den unten angegebenen Bedingungen verwendet wurde. Obwohl die erzeugten Ruße nicht alle die gleiche Oberflächengröße hatten, waren sie in dieser Beziehung so vergleichbar, daß irgendwelche Effekte durch die Änderung in der Oberflächengröße des Rußes auf den Kautschuk ausgeschlossen waren.

Der Vorverbrennungsabschnitt des Reaktors war etwa 30 cm in seiner horizontalen Achse lang und hatte einen Durchmesser von etwa 94 cm. Am Auslaßende der Vorverbrennungszone befand sich ein Venturitrichter in einer Reaktionszone mit einem Durchmesser von etwa 38 cm.

Dieser Ventur!trichter war aus zwei konusförmigen Abschnitten

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aufgebaut. Das Einlaßende des konvergierenden Einlaßkonus fiel mit der stromab liegenden Wand der Vorverbrennungszone zusammen. Der Einlaßkonus hatte einen Einlaßdurchmesser von 34 cgi und verengte sich, über eine Länge von 33 cm gleichmäßig auf einen Durchmesser von 18 cm.

Zwischen dem Einlaßkonus und dem divergierenden Auslaßkonus war ein Zylinder von im wesentlichen gleichförmigem Durchmesser angeordnet, der eine Länge von etwa 2,5 cm und einen Durchmesser von etwa 18 cm hatte.

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Der Auslaßkonus nahm über eine Länge von etwa 70 cm im Durchmesser gleichförmig von 18 cm auf 38 cm zu.

Dieser Reaktor wurde unter Bedingungen betrieben, daß Ruß von im wesentlichen der gleichen Oberflächengüte erzeugt wurde» Die Lage der Düse längs der horizontalen Achse der Vorverbrennungszone wurde für jeden Versuch verschieden gewählt und von einem Punkt, der mit der stromauf liegenden Wand der Vorverbrennungskammer zusammenfällt, bis zu einem Punkt 36 cm stroaab von diesem geändert, wobei dieser letztere Punkt 5 cm in der Reaktionszone und 5 cm in dem stromauf liegenden Konus des Yenturitrichters lag.

Der bei jeder dieser Stellungen der Einlaßdüse für das Ausgangsmaterial erzeugte Ruß wurde in Kautschuk eingemischt, und der Abrieb bei 9650 km wurde für jeden dieser so hergestellten Kautschukarten untersucht. Die Ergebnisse waren die folgenden, wobei die Düsenstellung in cm stromauf von dem Einlaß des Ventur trichters angegeben ist:

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	30	15	,3	20	5	*
30	591	746		796	796	-5
576	11,3	11	,3	11,3	11,3	796
11,3	425	425	,5	425	425	11,3
425	28,3	28		28,3	28,3	425
28,3	105	101		97	99	28,3
98	113	120	119	114	102
107				114

Versuch Nr*

Düsenstellung (cm)

KohlenwasBerstoffausgangsmaterial (l/h)

Axialluft (m³/h)
Tangentialluft (v?/b)
Tangentialgas (sr/h)
RußoberfXächongröße (m /g)

Kauts chukabr iebfes t igkeit (9650 lim)

Ii/D, wie definiert 1,71 1,43 0,856 0,571 0,286 -0,286

5 cta in den konvergierenden Abschnitt des Venturitriehters.

Die Werte der Abriebsfestigkeit des Kautschuks bei 9650 km, wie sie den Düsenstellungen längs der horizontalen Achse der Vorverbrennungszone entsprechen, sind in Pig. 3 angegeben, deren Abszisse das Verhältnis L/D angibt, wie es oben deliniert wurde.

Diese Ergebnisse zeigen, daß es gewisse Stellungen der Düse für das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial gibt, bei denen Ruße mit überlegenen Eigenschaften erzeugt werden. Diese Stellungen können durch das Verhältnis zwischen L, dem Abstand von dem Ort, an dem der Kohlenwasserstoff von der Einlaßdüse ausgelassen wird, zu dem Einlaß des Venturitrichters, und D, dem Durchmesser der Verengung des Venturitrichters festgelegt werden.

In den oben angegebenen Versuchen wurde z.B. der Ruß mit der ' maximalen Abriebsfestigkeit bei 9650 km bei einer Düsenstellung 15 cm (6 inches) vom Einlaß des Venturitrichters entfernt erzeugt. Der Venturitrichter hatte einen geringsten Durchmesser von 18 cm (7 inches). Das die Stellung der Düse definierende ' erhältnis L/D war somit 6/7 oder 0,856.

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Dementsprechend geben die obigen Resultate an, daß Ruße, die dem Kautschuk besonders vorteilhafte Abriebseigenschaften verleihen, bei Verhältnissen in dem Bereich von etwa 0,29 bis etwa 1,25 erzeugt werden, wobei die verwendeten Abmessungen in den gleichen Längeneinheiten ausgedrückt sind.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Z.B. kann das Brennstoffgas axial zugeführt und von seiner Zuführungsleitung rings um das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial und im wesentlichen rechtwinklig zu der Auslaßrichtung des Kohlenwasserstoffs eingestrahlt werden. In diesem Palle wird die Struktur des Rußes verringert, und die Rußausbeute erhöht.

Ebenso kann das Brennstoffgas axial zugeführt und rings um, aber parallel zu der Auslaßrichtung des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials von der Düse eingestrahlt werden.

Bei diesen Ausführungsformen können einige Schwierigkeiten infolge der hohen Temperaturen auftreten, denen die Zuführungsleitung für das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial ausgesetzt ist. Um Schädigungen der Einlaßleitung für das Ausgangsmaterial durch die hohe Temperatur zu vermeiden, kann Luft oder Brennstoff und luft von etwa Atmosphärentemperatur durch einen oder mehrere Kanäle zugeführt werden, die tangential in den konvergierenden Konus des Yenturitrichters münden, wobei diese Zuführung durch eine beliebige Anzahl von Öffnungen, z.B. 25·und 30 in Pig. 1, in der gleichen Weise geschieht, wie der Brennstoff und/oder die heißen Verbrennungsgas e in die Vorverbrennung sz one eingeleitet werden.

Auch wenn bei den die Erfindung erläuternden Beispielen ein Venturitrichter von spezieller Gestalt verwendet wurde, ist die Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Gestalt des Venturitrichters beschränkt. Z.B. können der Konvergenzwinkel und der

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Bivergenzwinkel des Venturitrichters beträchtlich und unabhängig, voneinander geändert werden. Z.B. kann der Konvergenzwinkel des Tenturitrichters sich von etwa 5 bis etwa 42,5° ändern, während der Divergenzwinkel sich im Bereich von etwa 2,5 bis 45° ändern kann, wenn dies erwünscht ist, wobei diese Angaben den halben Öffnungswinkel betreffen, der durch die horizontale Achse des Reaktors und die Wand des Yenturitrichters gebildet wird.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Ruß durch Pyrolyse eines Kohlenwasserstoffausgangsmaterials in einem Vorverbrennungsreaktor, bei dem ein Kohlenwasserstoffausgangsmaterial und heißes Verbrennungsgas, das durch die Verbrennung eines Brennstoffs mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas erzeugt wird, in die Vorverbrennung sz one des Realrtors eingeleitet werden, um eine Reaktionsmasse zu bilden, wobei das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial axial in den Reaktor stromauf von einem Venturitriehter eingeleitet wird, der sich in der Reakti ons zone des Reaktors befindet, und wobei die Reaktionsmasse durch diesen Venturitriehter und die Reakti ons ζ one strömt, um Ruß zu bilden, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in den Reaktor an einer Stelle eingeleitet wird, die einem 3j/D-Verhältnis im Bereich von 0,29 bis 1,25 entspricht, wobei Ii der Abstand von dem Ort des Einleitens des Kohlenwasserstoffausgangsinaterials zu dem Einlaß des Venturitriehters und D der Durchmesser des Venturitrichters an seiner Stelle maximaler Verengung ist.

2. Reaktor zur Herstellung von Ruß nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einer Vorverbrennungszone, mit einer Einlaßdüse für ein Kohlenwasserst off ausgangsmaterial, die axial in die Vorverbrennungszone mündet, mit Einlaßöffnungen in der Vorverbrennung sz one für heiße Verbrennungsgase, die durch die Verbrennung eines Brennstoffes mit einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas erzeugt werden, mit einer an die Vorverbrennung szone anschließenden Reaktiohszone und mit einem in dieser Reaktionszone angeordneten

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Venturitri.ch.ter, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßmiindung der Düse für das Kohlenwasser· stoffausgangsmaterial sich auf der Längsachse des Reaktors an einer Stelle befindet, die einem L/D-Terhältnis im Bereich von 0,29 bis 1,25 entspricht.

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