DE2507021B2 - Verfahren zur Herstellung von RuB - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von RuBInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ruß in einem Ofen, wobei in einem umschlossenen
Strom heißer Verbrennungsgase, der sich mit einer zur -r>
Dispergierung und Feinstverteilung von flüssigem Rußrohstoff ausreichenden Lineargeschwindigkeit bewegt,
der flüssige Rußrohstoff im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Brenngasstromes eingeleitet
und das aus der Rußbildungsreaktion resultierende r>»
Gemisch unter Bildung der festen Rußpartikel abgeschreckt wird, worauf der Ruß abgetrennt wird.
Verfahren zur Herstellung von Ruß, die ähnliche Merkmale aufweisen, sind unter anderem in der US-PS
51 337 und der US-PS 35 95 618 beschrieben. Bei dem v,
Verfahren nach der erstgenannten Patentschrift wird der Rußrohstoff in einen mit hoher Geschwindigkeit
sich bewegenden Strom von Verbrennungsgasen von außen her eingeführt. Vorwiegend wird dabei der
Ausgangsstoff in Form von gasförmigen Kohlenwasser- w>
stoffen verwendet. Soweit die Benutzung von flüssigem Rußrohstoff in Betracht gezogen wird, soll dieser mit
Hilfe besonderer Zerstäubungsmittel vor Eintritt in den Strom der Verbrennungsgase fein zerteilt werden. In
der US-PS 35 95 618 findet sich zwar der Hinweis, daß <r>
bei der hohen Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase der Ausgangsstoff nicht mittels einer
Vorrichtung zum Atomisieren oder mittels einer Sprühdüse eingeführt zu werden braucht, sondern
einfach durch eine unverengte kapillare öffnung und unter einem zur Aufrechterhaltung der gewünschten
Strömungsgeschwindigkeit ausreichenden Druck mit dem Strom der Verbrennungsgase vereinigt werden
kann. Dies kann gemäß der älteren Patentschrift auch senkrecht zur Strömungsrichtung der Verbrennungsgase
erfolgen, doch wird dem Fachmann hier die Lehre vermittelt, daß die Zuführung des Rußrohstoffes in
Querrichtung als durchaus äquivalent mit der tangentialen oder axialen Einleitung angesehen werden kann.
In der US-PS 36 19 140 und der DE-OS 21 28 030 steht im Vordergrund die Lösung der Aufgabe, ein
schnelles und wirksameres Dispergieren der Ausgangsstoffe zu erreichen. In beiden Fällen wird der
Rußrohstoff in Form eines oder mehrerer zusammenhängender Flüssigkeitsströme dem Brenngasstrom in
Querrichtung zugeführt.
Es hat sich nun gezeigt, daß bei der Durchführung der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ein
Problem auftreten kann, das im folgenden als »Kerneffekt« bezeichnet werden soll. Diese Erscheinung beruht
darauf, daß beim praktisch transversalen Einspritzen eines flüssigen Rohstoffes ausschließlich in einer
Vielzahl von zusammenhängenden Strahlen, entweder vom äußeren oder vom inneren Umfang des Verbren-
nungsgasstromes sich keine wirksame Ausbreitung und
Einmischung in den gesamten Querschnitt des Verbrennungsgasstromes
ergeben kann. Es entsteht in solchen Fällen in dem Strom der Verbrennungsgase gewissermaßen
ein Hohlraum oder toter Kern von Gasen, die nicht unmittelbar für die Dispergierung und Zerstäubung
des Rußrohstoffes nutzbar gemacht werden. Dieser »Kerneffekt« bedeutet also einen Verlust der in
den ungenutzten Gasanteilen des Verbrennungsgasstromes enthaltene·! thermischen und kinetischen Energie.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der flüssige Rußrohstoff in Form einer Mehrzahl
von zusammenhängenden einzelnen Strömen praktisch quer in den Brenngasstrom sowohl von dessen äußerem
Umfang als auch von mehreren Stellen von dessen Inneren her und so eingeleitet wird, daß jeder der
zusammenhängenden Ströme in den Strom der Verbrennungsgase bis zu einer Tiefe eindringt, die
ausreicht, um eine nennenswerte Berührung zwischen der Apparatewand und dem Rußrohstoff vor dessen
Mischung mit dem heißen Verbrennungsgasstrom und der Bildung der Rußpartikei darin zu vermeiden. Auf
diese Weise wird praktisch der gesamte Querschnitt des Brenngasstromes für die Dispergierung und Feinzerstäubung
des Rußrohstoffes nutzbar gemacht.
Das radiale Einleiten eines feinzerteilten Stromes von Rußrohstoff in das Innere eines Brenngasstromes ist in
der US-PS 30 46 096 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein in Wirbelbewegung versetzter Strom von
Verbrennungsgasen durch eine langgestreckte Reaktionskammer geleitet und der Rußrohstoff von einem
Punkt in der Nähe der Längsachse der Kammer in den Verbrennungsgasstrom eingesprüht. Um das Eindringen
des Rußrohstoffes in den Brenngasstrom zu verbessern, wird koaxial zur Längsachse der Reaktionskammer eine
Zone niedriger Gasgeschwindigkeit gebildet. Aus der Patentschrift ist zu entnehmen, daß eine radiale
Einführung des Rußrohstoffes von außen nach innen vermieden werden soll; sie gibt, ebenso wie die weiter
oben behandelten Patentschriften keinerlei Hinweis auf den »Kerneifekt« und irgendwelche Maßnahmen zu
seiner Vermeidung.
Bei der Ausführung des erfindungsgemä3en Verfahrens kann die Geschwindigkeit des Verbrennungsgasstromes
an den Einleitungsstellen für den Rußrohstoff in weiten Grenzen den jeweiligen Verfahrenserfordernissen
angepaßt werden, vorausgesetzt, daß die Lineargeschwindigkeit zur intensiven Dispergierung und Feinstzerstäubung
des Rußrohstoffes ausreicht. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, die Geschwindigkeit des
Verbrennungsgasstromes auf mindestens 0,35 Mach und vorzugsweise auf 0,4 bis 0,8 Mach zu halten. Als »Mach«
ist hier bezeichnet der Quotient aus der linearen Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase und
der Schallgeschwindigkeit in ihnen, die in einem gegebenen Gasstrom von der Temperatur der Zusammensetzung
dieses Gasstromes abhängig ist.
Der Strom der Verbrennungsgase weist im allgemeinen einen kreisförmigen Querschnitt auf, in den die
Ströme des Rußrohstoffes mit hoher kinetischer Energie eingeleitet werden. Nach einer anderen
Ausführungsform des Verfahrens kann der Strom der Verbrennungsgase auch einen praktisch rechteckigen
Querschnitt ausweisen. Schließlich ist es auch möglich, mehrere Ströme von Verbrennungsgasen mit ringförmigem
Querschnitt zu bilden und in jeden dieser Ströme den Rußrohstoff von außen und innen einzuführen. Die
Einleitung der Ströme ces Rußrohstoffes in den Strom der Verbrennungsgase erfolgt vorteilhafterweise aus in
einer Ebene angeordneten Einlassen. Nach einei bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden
die Ströme des von innen zugeführten Rußrohstoffes; an Stellen in den Strom der Verbrennungsgase eingeleite»,
die zwischen den Einlaßöffnungen für die Einleitung des Rußrohstoffes von außen angeordnet sind.
Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 4, in denen für die Durchführung des Verfahrens geeignete
κι Vorrichtungen und Vorrichtungsteile beispielsweise dargestellt sind, weiterhin erläutert
Nach den F i g. 1 und 2 wird zur Durchführung des Verfahrens in die Mischkammer 3 durch die Leitung 1
ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff eingeführt, und durch die Leitung 5 und den Ring 7 ein gasförmiges
Oxydationsmittel. Das entstandene gasförmige Verbrennungsgemisch strömt durch den perforierten
Flammenhalter 9 in die Verbrennungskammer 11, wo die Entzündung und die praktisch vollständige Verbrennung
deF. Gemisches aus dem Brennstoff und dem Oxydationsmittel stattfinden. Die .ntstandenen Verbrennungsgase
strömen aus dem sirorr ibwäns liegenden Ende der Verbrennungskammer und gelangen
durch die ringförmige Zone 13 zur Einführung des
?ϊ Ausgangsstoffes. Der äußere Umfang dieser ringförmigen
Zone 13 ist gebildet durch die innere Wandung der Leitung 17, der innere Umfang der ringförmigen Zone
13 ist gebildet durch die äußere Oberfläche 20 der axial orientierten Sonde 19 zum Einführen des Ausgangsstof-
Sd fes.
In den mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gasstrom der Verbrennungsgase mit einem ringförmigen
Querschnitt wird ein flüssiger. Kohlenstoff bildender Ausgangsstoff praktisch senkrecht zur Strömungs-
i") richtung des Gasstromes von dem inneren und dem
äußeren Umfang dieses Gasstromes eingeführt. Zur Einführung des flüssigen Ausgangsstoffes, der in der
Regel vorzugsweise auf eine Temperatur vorgewärmt wird, bei welcher ein Verkoken noch nicht sta.ifindet,
werden mehrere, praktisch quer orientierte und praktisch unverengte Mundstücke 21 verwendet. Zu
ditjen Mundstücken 21 wird der Ausgangsstoff unter Druck durch die Leitung 23 und die Verteilerleitung 25
geführt, welche die Mundstücke 21 speist Entsprechend
4) wird der flüssige Ausgangsstoff von innen in den
ringförmigen Gasstrom dadurch eingeführt, daß man ihn unter Druck durch die axiale Sonde 19 einführt, die
zweckmäßigerweise mittels einer Flüssigkeit gekühlt ist. Die Sonde endet in einer Kappe 27 mit mehreren quer
ίο angeordneten und praktisch unverengten Mundstücken
29.
Nach dem Einführen des Ausgangsstoffes ist es notwendig, das entst?ndene Umsetzungsgemisch so
lang:. ;inter solchen Bedingungen zu halten, daß sich
Vi Rußteilchen bilden können. Das kann dadurch geschehen,
daß man Jas Umsetzungsgemisch aus der Injektionszone 13 in einen geeigneten Reaktionsraum
31 führt. Nach F i g. 1 kann die Reaktionskammer 33 mit dem unteren Ende der Injektionszone 13 durch
M> aufeinanderpassende Flansche 35 und 37 verbunden
sein, die durch eine Reihe von Bolzen 39 zusammengehalten werden. Der Reaktionsraum 31 der Ka.vimer 33
sollte keine Hindernisse enthalten. Im allgemeinen ist es vorzuziehen, daß er plötzlich einen größeren Quer-
h) schnitt erhält, als das Auslaßende der Injektionszone 13.
Bei Berücksichtigung dieser Grundsätze ist gewährleistet, daß der eingeführte Ausgangsstoff schnell dispergiert
wird in der strömenden Masse der heißen
Verbrennungsgase, ohne daß der Ausgangsstoff vorzeitig
mit den Wandungen der Vorrichtung in Berührung kommt.
Die Verweilzeit für die Bildung von Ruß in Vorrichtungen großen Maßstabes ist abhängig von der
Länge der Reaktionskammer 33 und außerdem von den jeweiligen Umsetzungsbedingungen und den Eigenschaften
des herzustellenden Rußes. Um die Bildung von Ruß zum gewünschten Zeitpunkt abzubrechen, und
damit die Verweilzeit zu regein, ist eine geeignete Vorrichtung zum Abschrecken vorgesehen, beispielsweise
in Form einer Sprühdüse 41 nach F" i g. I, der das Abschreckmittel durch die Leitung 43 zugeführt wird.
Um bei einem gegebenen Durchsat/, die Verweilzeit regeln zu können, können auch mehrere Sprühdüscn
vorgesehen sein. Man kann beispielsweise zusätzliche Düsen 4t in Abständen entlang der ganzen Länge der
Kammer 33 anordnen. Da die Bildung von Ruß in der Regel durch das Abschrecken beendet wird, enthä't das
Umsetzungsgemisch, das die Reaktionskammer 33 durch den Auslaß 45 verläßt, in der Regel ein heißes
Aerosol von Ruß, der in den Gasen suspendiert ist. Nach dem Verlassen des Auslasses 45 wird das heiße Aerosol
in üblicher Weise weiter bearbeitet und durch Abkühlen, Abtrennen und Sammeln der Rußteilchen.
In F i g. 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, die für die Ausführungsform der Erfindung mit rechteckigem
Querschnitt — anstelle eines kreis- oder ringförmigen oder ovalen Querschnitts — geeignet ist. Die Wandung
114 der Einleitungszone 113 bildet zusammen mit der axial angeordneten Sonde 115 für die Zuführung von
Rußrohstoff, die ebenfalls einen rechtwinkligen Querschnitt hat, eine ringförmige, rechtwinklige Injektionszone 113.
Die F i g. 4 zeigt eine Injektionszone 213 mit einer die ganze Zone umgebenden zylindrischen äußeren Wandung
214 und mehreren einzelnen, axial angeordneten Sonden 215 zur Einführung von Ausgangsstoff, die sich
in Abständen voneinander und von der Wandung 214 befinden. Bei dieser Ausführungsform entstehen mehrere,
praktisch ringförmige Zwischenräume 216 zwischen den inneren und äußeren Sonden 215 und der
umgebenden Wandung 214.
Für die Durchführung des Verfahrens gemäß Erfindung kann ein gasförmiger, dampfförmiger oder
flüssiger Brennstoff gewählt werden, beispielsweise Wasserstoff. Kohlenmonoxyd, Methan, Acetylen, Alkohole,
Kerosin usw. Bevorzugt werden hierbei Brennstoffe mit einem verhältnismäßig hohen Gehalt an
Kohlenstoff, insbesondere Kohlenwasserstoffe. Beispielsweise sind an Methan reiche Gase, wie Erdgas, und
modifiziertes otier angereichertes Gas ausgezeichnete
Brennstoffe, ebenso wie andere, an Kohlenwasserstoffen reiche Gemische, wie Erdölgase, Flüssigkeiten und
Nebenprodukte der Raffinerien, wie Fraktionen mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen im Molekül, Heizöle usw.
Als Oxydationsmittel, die beim Mischen in geeigneten Mengen mit dem Brennstoff ein mit hoher Energie
verbrennendes Gemisch ergeben, können Luft, Sauerstoff oder Chlor oder Mischungen von praktisch
nicht-oxydierenden oder inerten Gasen, wie Stickstoff, Kohlendioxyd, Argon, usw. mit einem oder mehreren
der oxydierenden, oben erwähnten Stoffe verwendet werden, wobei der Gehalt an diesen oxydierenden
Stoffen in dem Gesamtgemisch bei wenigstens etwa 20 Vohim-% Hegen soll.
Das Mengenverhältnis des oxydierenden Gases zu dem Brennstoff soll im allgemeinen auf der an
Brennstoff reichen Seite liegen, so daß die adiabatischc
F'lamme eine Temperatur von wenigstens etwa 1300r
hat.
Es können aber auch brennstoffarme Gemische, die adiabatische Flammen mit einer Temperatur untei
1300° erzeugen, verwendet werden, vorausgesetzt, daf.
durch Anwendung eines bestimmten flüssigen Aus gangsstoffes mit einer bestimmten Gcschwindigkci
oder Zusammensetzung die erwähnte Temperatui schließlich erreicht wird, wenn der Ausgangsstoff mi
dem überschüssigen oxydierenden Gas in dem heißet Strom der Verbrennungsgasc reagiert.
In der Regel werden nlso die für das Verfahret
erforderlichen Temperaturen während der Verbren nung erreicht. Wenn aber ein brennstoffarmes Gcmiscl
verwendet wird, wird die maximale Temperatur bei den Verfahren erreicht, wenn der flüssige Ausgangsstof
eingeführt isi und teilweise sich umgesetzt hat mit den restlichen Oxydationsmittel in dem Strom der heißet
Verbrennungsgasc Das Gemisch kann zwar etwa 50 bi: etwa 500 % der für die vollständige Verbrennung
theoretisch erforderlichen Mengen des oxydierendet Gases enthalten, vorzugsweise soll aber diese Meng<
bei etwa 70 bis etwa 350% gehalten werden.
Um die zusammenhängenden Ströme des flüssiger Ausgangsstoffes, die in den ringförmigen Strom dei
Verbrennungsga.se eingeführt werden, wirksam zi versprühen und zu dispergieren, und hohe Durchsätze
zu erreichen, ist es vorteilhaft, daß der ringförmige Strom der Verbrennungsgase dort, wo der flüssige
Ausgangsstoff eingeführt wird, eine Strömungsge schwindigkeit von wenigstens 0,35 Mach, vorzugsweise
von 0,4 bis 0,8 Mach hat. Bei der Durchführung de: erfindungsgemäßen Verfahrens können verschiedene
Methoden angewendet werden, um eine solche Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase zi
erreichen, daß sie die zum Dispergieren des eingeführ ten Ausgangsstoffes erforderliche kinetische Energie
aufweisen.
Man kann z. B. die Verbrennung selbst durcl· Bemessung der Zufuhr des Brennstoffes und/oder de;
oxydierenden Gases so regeln, daß ein Strom dei Verbrennungsgase entsteht, der beim Durchströmer
der ringförmigen Einführungszone 13 eine Strömungs geschwindigkeit von wenigstens 0,35 Mach hat. Aucl·
die Form der verwendeten Vorrichtung hat einer weitgehenden Einfluß auf die schließlich erreichte
Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase dort wo der flüssige Ausgangsstoff eingeführt wird. Mar
kann beispielsweise die Verbrennungsgase aus dei Kammer 11 durch eine verengte, ringförmige Injek
tionszone 13 führen, wodurch eine erhebliche Vergröße rung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht werdet
kann.
Als Rußrohstoffe finden vorteilhafterweise Stoffe mi einem Kohlenstoffgehalt von wenigstens 75 Gew.-%
vorzugsweise über etwa 85 Gew.-% Verwendung Hierzu gehören beispielsweise flüssige oder verflüssig
bare, Kohlenstoff enthaltende Stoffe, wie Benzol Toluol, Xylol, Mesithylen, Cumol, Durol; lineare ode;
alicyclische Kohlenwasserstoffe, wie Hexan, Octan Dodecan, Cyclohexan und Cyclopentan, paraffinisch)
öle, Erdöl-Destillate, Wachse, bevorzugt aromatisch«
oder äthylenische Teere, Erdöl-Destillate oder Stoffe die bei der Fraktionierung und/oder Destillation bein
Raffinieren anfallen.
Bei der Einleitung des Rußrohstoffes in dei Brenngasstrom kommt es, unabhängig von der Anzah
der verwendeten Mundstücke 21 und 29 für eine
gesicherte Prozeßführung und für eine gute Qualität des Endproduktes darauf an, daß jeder einzelne Strom des
Ausgangsstoffe.; derart in den Strom der heißen Verbrennungsgase eingeführt wird, daß er die Wandungen
der Vorrichtung praktisch nicht berührt, bevor der Ausgangsstoff innig gemischt ist mit den heißen
Ver'v'ennungsgasen und bevor Ruß gebildet ist. Daher
soll jeder der eingeführten Ströme des Ausgangsstoffes anfänglich zusammenhängend bleiben und in den
ringförmigen Strom der Verbrennurgsgase ohne wesentliche Verdünnung bis auf eine Tiefe von
wenigstens 15% des Querschnittes des Stromes der Verbrennungsgase eindringen. Ferner sollen diese
zusammenhängenden eindringenden Ströme des flüssigen Ausgangsstoffes, die von 3 ißen und von innen in
den Strom der Verbrennungsgase gelangen, möglichst nicht unmittelbar aufeinander und auch nicht auf die
iJpupnnhprliPCJpnHp \VanH ripr Vprhrpnnnpoc7Anp 11
Menge an Ausgangssloff angepaßt wird an die Menge des Brennstoffes und des oxydierenden Gases, so daß
die gesamte prozentuale Verbrennung unter Voraussetzung der theoretisch vollständigen Oxydation aller
Bestandteile zu Kohlendioxyd, Wasser und dergleichen zwischen etwa 20 bis 50% liegt. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann aber auch erfolgreich durchgeführt werden bei Verwendung der entsprechenden Stoffe bei
Verbrennungswerten bis hinunter zu etwa 15% oder bis
hinaus zu etwa 65%, wobei ebenfalls brauchbare Ruße gewonnen werden.
Bei der eigentlichen Bildung des Rußes sind wichtige Parameter die Abmessungen und die Form des
Umschlossenen Reaktionsraumes 31 zwischen der Einführungszone für den Ausgangsstoff und der
Abschreckungszone des Reaktionsgemisches. Für ein gegebenes Volumen des Durchsatzes des Reaktionsgemisches
ist also der gesamte Inhalt des Raumes 7UZiCr1IiPn Apr pinfi'ihntna Hpc AncaaiKrcctnffpc tinrt Hp>m
~ ο . β β
auftreffen. Die Eindringtiefe dieser Ströme des Ausgangsstoffes sollte daher in der Regel nicht mehr als
50% des Querschnitts des Gasstromes betragen. Es ist ferner erwünscht, wie die gestrichelten Linien der
Fi g. 2 es zeigen, daß Projektionen der Mittellinien der
inneren Mundstücke 29 zu dem äußeren Umfang des ringförmigen Gasstromes an Punkten enden, die
zwischen benachbarten äußeren Mundstücken 21 liegen. Bei dieser Beachtung Vorschriften für die Einführung
des flüssigen Ausgangsstoffes und bei der Verwendung des oben beschriebenen ringförmigen Stromes der
Ver'.rennungsgase mit hoher Strömungsgeschwindigkeit wird ein sehr wirksames und schnelles Aufbrechen
der anfänglich zusammenhängenden Ströme des Ausgangsstoffes zu winzigen Tröpfchen erreicht, gleichzeitig
mit der wirksamen und schnellen Dispergierung dieser Tröpfchen in dem Strome der Verbrennungsgase,
so daß sehr schnell ein praktisch homogenes Umsetzungsgemisch entsteht. Dabei wird die thermische und
kinetische Energie der Verbrennungsgase wirksam ausgenutzt, was wesentlich dazu beiträgt, daß mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens Ruße hoher Qualität mit großem Durchsatz und hoher Ausbeute erzeugt
werden können. Das Verhalten der eingeführten Ströme des Ausgangsstoffes hängt von verschiedenen Parametern
ab, wie der Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase an der Einspritzstelle, der Form und
den Abmessunger, der Vorrichtung, den Abmessungen und der Anzahl der Mundstücke 21 und 29 zur
Einführung des Ausgangsstoffes, der Geschwindigkeit und dem Druck des Ausgangsstoffes. Die Eindringtiefe
der einzelnen in sich zusammenhängenden Ströme des Ausgangsstoffes in die heißen Verbrennungsgase kann
geregelt werden durch geeignete Abstimmung einiger oder mehrerer der verschiedenen Variablen des
Verfahrens und/oder durch die Form der Vorrichtung. Die Kriterien für die Einführung der anfänglich
zusammenhängenden Ströme des Ausgangsstoffes können auch vorausbestimmt oder bei der Durchführung des Verfahrens direkt beobachtet und geregelt
werden.
Bei der Herstellung einer gegebenen Art von Ruß mit
einem gegebenen, flüssigen Kohlenstoff bildenden Ausgangsstoff hängt die Zuführungsgeschwindigkeit
des Ausgangsstoffes weitgehend ab von der Menge der verfügbaren Wärme und von dem gegebenen, falls
vorhandenen, noch nicht reagierten Oxydationsmittel in <iem Strom der heißen Verbrennungsgase. Für die
meisten Arten von Ruß ist es besonders wichtig, daß die Abschrecken des Reaktionsgemisches bestimmend für
die Verweilzeit in der Rußbildungszone. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können Ruße hoher
Qualität in unüblich kurzen Verweilzeiten gewonnen werden, d. h. bei Verweilzeiten bis hinab zu 0,5
Millisekunden oder sogar darunter. Für die meisten Arten von Ruß verlangen die optimalen Bedingungen in
der Regel eine Verweilzeit von etwa 1 bis etwa 100 Millisekunden. Natürlich können gewünschtenfalls auch
längere Verweilzeiten bis hinauf zu etwa 500 Millisekunden oder sogar bis hinauf zu mehreren Sekunden
angewendet werden, was mitunter hilfreich ist zur Gewinnung bestimmter Eigenschaften des Endproduktes.
Die Beispiele erläutern weiterhin einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es wurde eine Vorrichtung nach der Fi g. 1 mit den nachstehenden wichtigsten Abmessungen verwendet:
Verbrennungskammer 11
Zylindrische Leitung 17
Zylindrische Leitung 17
Mundstücke 21
Volumen 113 I.
Länge 28,0 cm,
innerer Durchmesser
26,4 cm,
Länge 28,0 cm,
innerer Durchmesser
26,4 cm,
Neun quer orientierte
Mundstücke mit Durchmessern von 1,17 mm in gleichwinkligen Abständen auf einer einzigen Ebene um den Umfang der Leitung 17. Die Mundstücke 21 waren etwa 14 cm stromaufwärts von dem Auslaßende 28 der Leitung 17 angeordnet Ein wärmeisolierter, feuerfester, zylindrischer Tunnel mit einer Länge von 5,5 m und einem inneren Durchmesser von 46 cm.
Mundstücke mit Durchmessern von 1,17 mm in gleichwinkligen Abständen auf einer einzigen Ebene um den Umfang der Leitung 17. Die Mundstücke 21 waren etwa 14 cm stromaufwärts von dem Auslaßende 28 der Leitung 17 angeordnet Ein wärmeisolierter, feuerfester, zylindrischer Tunnel mit einer Länge von 5,5 m und einem inneren Durchmesser von 46 cm.
Mehrere Düsen 41 zum Versprühen von Wasser in der Kammer 33 in einem
Abstand von 1 m stromabwärts von dem Auslaßende 28 der Leitung 17.
Bei einem Vergleichsversuch, der hier als Vergleichsversuch A bezeichnet wird, wurde keine axiale Sonde 19
verwendet. Der Brennstoff war ein Erdgas mit einem Methangehalt von 95,44% und einem Heizwert von
8400 kg-Kal. je Nm3. Als gasförmiges Oxydationsmittel
wurde Luft verwendet. Der flüssige Rußstoff war gewonnen beim Raffinieren von Erdöl durch Cracken
(Enjay A. C). Dieser Ausgangsstoff hatte die nachstehende Zusammensetzung:
Kohlenstoff (%) 89,4; 89,5 | S 0,005 |
Wasserstoff (%) 9,19; 8,08 | 0,663 |
WC 1,08 | 0,005 |
Schwefel (%) 1,8 | 0,181 |
Asphaltene 1,5; 1,4 | 0,849 |
1,068 | |
Spez. Gewicht | |
(15,6/15,6° C) | + 0,9 |
(ASTM D-287) | |
A.P.I.-Schwere | |
(15,6/15,60C) | 266, 264 |
(ASTM D-287) | |
Viskosität | 52,0; 52, |
SUS bei 54°C | 0,30 |
(ASTM D-88) | 0,002 |
SUS bei 99° C | 0,94 |
(ASTM D-88) | 0,04 |
Sediment (%) | |
Asche (%) | 346 |
Natrium (ppm) | 426 |
Kalium (ppm) | |
GLC simulierte Destillation: | 120 |
anfänglicher Siedepunkt, ° C | |
50%Siedepunkt,°C | 119 |
BMCI (aus der Schwere und der | |
Viskosität) | 7,4 |
BMCI (aus der Schwere und dem | 24,0 |
50% Siedepunkt) | 16,7 |
UV Ringverteilung: | 25,9 |
2-Ring-Verbindungen (%) | 0,0 |
3-Ring-Verbindungen (%) | |
Pyrene (%) | |
andere 4-Ring-Verbindungen (%) | |
5-Ring-Verbindungen (%) | |
Der Versuch A wurde so durchgeführt, daß das Erdgas in einer Menge von 1030 1/Std. und die Luft in einer
Menge von 11 6001/Std. in die Verbrennungskammer 11
eingeführt wurden. Die Luft wurde vor dem Eintritt in die Verbrennungskammer 11 auf etwa 3700C vorgewärmt
Die entstandenen Verbrennungsgase wurden durch die Leitung 17 geführt und hatten in der Ebene
der Mundstücke 21 eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,53 Mach. Der auf etwa 2600C vorgewärmte
flüssige Rußstoff wurde durch die Mundstücke 21 in einer Gesamtmenge von etwa 15301/Std. unter einem
Druck von etwa 21,7 kp/cm2 eingeführt Dann wurde das entstandene Umsetzungsgemisch ausgelassen und
durch die Reaktionskammer 33 geführt Mittels der Sprühdüsen 41 wurde das Gemisch mit Wasser auf etwa
745° C abgeschreckt Dann wurde es in üblicher Weise weiterbehandelt durch Kühlen mittels indirekten Wärmeaustausches,
durch Abtrennen und Sammeln des Rußes mittels Sackfiltern. Durch ein nicht abgebildetes
Schauloch am rückwärtigen Ende der Verbrennungskammer H konnte das Einführen der Ströme des
Ausgangsstoffe» aus den Mundstücken 21 beobachtet werden. Es wurde hierbei festgestellt, daß jeder dieser
Ströme zusammenhängend bis in etwa 20 bis 25% des Durchmessers der zylindrischen Leitung 17 eindrang.
Unter diesen Bedingungen wurden stündlich etwa 900 kg Ruß gewonnen, wobei die gesamte Verbrennung
bei diesem Verfahren bei etwa 41,3% der Theorie lag. κι Der so erhaltene Ruß wurde nach verschiedenen
Richtungen geprüft, wobei die Einzelheiten und Ergebnisse dieser Analysen unten angegeben sind.
i") Färbe kraft
Die Färbekraft ist die relative Deckkraft ein°s pelletisierten Rußes im Gemisch mit einem Standard-Zinkoxyd
(Florence Green Seal No. 8 der New Jersey
·"! Zinc Cc* in einem Gswichtsverhäiinis von ! : 37,5.
Dieses Gemisch wird in einem Weichmacher aus epoxydiertem Sojabohnenöl dispergiert (Paraplex G-62
von Rohm und Haas Co.). Verglichen wird dieses Gemisch mit einer Serie von Standard-Rußen, die unter
r> den gleichen Bedingungen geprüft werden. Im einzelnen
werden der Ruß, das Zinkoxyd und der Weichmacher in solchen Mengen zusammengewalzt, daß das Verhältnis
von Ruß zu Zinkoxyd bei 1 :37,5 liegt. An einem Film,
der auf einer Glasplatte ausgegossen ist, werden dann
tu Reflexionsmessungen unter Verwendung der Vorrichtung
Welch Densichron ausgeführt, die abgelesenen Werte werden verglichen mit denen von Standard-Ruß
bekannter Färbekraft. Die Färbekraft von Standard-Rußen wird bestimmt unter Verwendung eines willkürli-
)■-> chen Wertes von 100% für die Färbekraft eines Standard-SRF-Rußes. Dieser Standard-SRF-Ruß mit
dem willkürlichen Wert für die Färbekraft von 100% ist ein Ofenruß Sterling S oder Sterling R mit halbverstärkenden
Eigenschaften der Cabot Corporation. Jeder dieser beiden Ruße Sterling R und Sterling S hat eine
BET-Oberfläche für Stickstoff von etwa 23 mVg, einen
Absorptionswert für Dibutylnaphthalatöl von etwa 65
bis 70 g Dibutylphthalat/100 g Ruß, und einen mittleren
Teilchendurchmesser von etwa 800 Ä, bestimmt im
4--I Elektronenmikroskop. Der einzige bemerkenswerte
Unterschied zwischen diesen beiden Rußen besteht darin, daß der Ruß Sterling R flockig ist, während der
Ruß Sterling S pelletisiert ist. Dementsprechend dient der verwendete Vergleichsruß zur Bestimmung der
V) Färbekraft von unbekannten Rußen jeweils in flockigem
oder pelletisiertem Zustand. Die Ruße Sterling R und
Sterling S werden demnach als die primären Vergleichsmuster zur Bestimmung von Färbekraft von anderen
Rußen betrachtet
Es können auch andere Ruße verwendet werden als Vergleichsstandard zur Bestimmung der Färbekraft
innerhalb eines Bereiches von etwa 30% bis etwa 250%. Die Färbekraft von solchen sekundären Standard-Rußen
werden bestimmt im Verhältnis zu dem primären SRF-Standard mit dem willkürlichen Wert für die
Färbekraft von 100%. In dieser Art kann eine ganze Reihe von Rußen innerhalb eines weiten Bereiches der
Färbekraft als Vergleichsmuster verwendet werden, um dem zu vergleichenden Ruß möglichst nahe zu kommen.
Solche Ruße als hilfsweise Standard-Ruße zur Bestimmung der Färbekraft werden von der Cabot Corporation
hergestellt Die analytischen Eigenschaften dieser Ruße gehen aus der nachstehenden Tabelle hervor.
25 07 02 | 1 | Vulcan | 12 | Vulcan 9 | |
Il | ft I! | ||||
Analytische liigenschalten | Sterling MT | Sterling | |||
(Medium | (I ine | 220 | 252 | ||
Thermal) | Thermal) | 109,6 | 11 ",5 | ||
Fiirbckrart % des SRF-Suindard | 31 | 36 | 131,4 | 116,9 | |
Jod-Oberfläche rrr/g | 5,0 | H,4 | |||
DBP-Absorption cmVlOOg | 33,6 | 35,9 | |||
Bei Verwendung dieser Testmethode wurde bei dem bei Versuch A gewonnenen Ruß eine Färbekraft von
278% festgestellt.
DBP-Absorption
Nach dem Verfahren gemäß ASTM D-2414-65T, jetzt ASTM D-2414-70, wurde die Absorptionsfähigkeit von
pelletisiertem Ruß festgestellt. Der Versuch besteht
darin, daß man Dibutylphthalat (DBP) einem pelletisier-
= Jod-Oberfläche.
scheinbaren Durchmesser der Rußteilchen in Millimikron. Dieser Wert kann erhalten werden bei Verwendung
der Formel:
Pulver in ein halbplastisches Agglomerat übergeht. Der
Wert wird ausgedrückt in cm' Dibutylphthalat (DBP) je
100 g Ruß. Der beim Versuch A erhaltene Ruß hatte nach dem Pelletisieren einen Wert der DBP-Absorption
von 129 CmVH)Og Ruß.
Jod-Oberfläche
Bei diesem Verfahren wird ein Muster des Rußes in einem Porzellantiegel mit einem lose aufsitzenden
Deckel während 7 Minuten bei 925°C in einem Muffelofen entgast und dann abgekühlt. Die obere
Schicht des calzinierten Rußes bis zu einer Tiefe von etwa 6 mm wird verworfen. Ein Teil des restlichen
Rußes wird gewogen. Zu diesem Muster gibt man 100 ml einer 0,01-normalen Jodlösung und rührt das
Gemisch 30 Minuten lang. 50 ml dieses Gemisches werden dann zentrifugiert, bis die Lösung klar ist.
Anschließend werden 40 ml mit einer l°/oigen Lösung von löslicher Stärke als Indikator mit einer 0,01 -normalen
Lösung von Natriumthiosulfat titriert, bis das freie
Jod absorbiert ist. Der Anteil an adsorbiertem Jod wird quantitativ bestimmt durch Titrierung eines Blindmusters.
Anschließend wird die Jodoberfläche ausgedrückt in m2/g entsprechend der Formel
(% adsorbiertes Jod χ 0,937 - 4.5)
Gewicht des Musters
Gewicht des Musters
Dieses Verfahren zur Bestimmung der Jod-Oberfläche von pelletisiertem Ruß wird als Cabot Test
Procedure No. 23,1 bezeichnet, da es hierfür noch keine offizielle ASTM-Vorschrift gibt. In der Veröffentlichung
der Cabot-Corporation TG-70-1 »Industry Reference Black No. 3« von Juengel und O'Brien vom 1.
April 1970 ist gezeigt, daß der Ruß IRB Nr. 3 (Industry
Reference Black No. 3) eine Jod-Oberfläche von 66,5 m2/g hat, bestimmt nach dem oben beschriebenen
Verfahren. Nach diesem Verfahren wurde festgestellt, daß die Jod-Oberfläche des beim Versuch A gewonnenen Rußes bei 105 m2/g lag.
In der US-PS 37 25 103 sind verschiedene wertvolle
Ruße beschrieben. Eine der Eigenschaften dieser Ruße besteht darin, daß die Beziehung (hier als Färbefaktor
bezeichnet) der b5
[Färbekraft+ 0,6(DJ]
bei wenigstens etwa 317 liegt Hierbei bedeutet Da den
lh =
2270 + 63.5(DBP-Absorptionl
Jod-Oberfläche
Jod-Oberfläche
In den obigen Gleichungen wird die Färbekraft in Prozenten der Färbekraft von SRF ausgedrückt, der
Wert für die DBP Absorber; in crriV'.OO " P»üß und die
Jod-Oberfläche in m2/g. Entsprechend kann bei Kenntnis der Färbekraft des Wertes für die DBP-Absorption
und der Jod-Oberfläche für den Ruß aus dem Versuch A der Färbefaktor errechnet werden durch
Einsetzen der bekannten Werte in die Gleichung:
lärbefaktor = Färbekraft +■ 0.6
I 2270 - 63.51 DBP
1 Jod-Oberflache
1 Jod-Oberflache
Hiernach beträgt der Färbefaktor des Rußes aus dem Vergleichsversuch A 338.
pH-Wert
Der pH-Wert eines Rußes kann festgestellt u erden
gemäß ASTM D-1512-60. Nach diesem Verfahren wurde der pH-Wert des Rußes aus dem Versuch A /u
über 4,0 festgestellt.
Bei dem Versuch B wr'de praktisch der Versuch A
wiederholt mit der Ausnahme, daß innerhalb der Leitung 17 eine wassergekühlte Sonde 19 zur Einführung
des Ausgangsstoffes angeordnet war. Die Sonde hatte einen Durchmesser von 5 cm. Sie war a» sgerüstet
mit einer Kappe 27 aus einem Rohr von 3 mm mit drei
Mundstücken 29 mit Durchmessern von 1.05 mm. die senkrecht und gleichwinklig um den Umfang herum
angeordnet waren. Die Mundstücke 29 der 3\ialen Sonde 19 waren innerhalb der Leitung 17 in
Längsrichtung so angeordnet, daß sie sich in einer Ebene mit den äußeren Mundstücken 21 befanden ledes
der drei Mundstücke der axialen Sonde 19 war so orientiert, daß es auf einen Punkt zwischen zwei
benachbarten Mundstücken 21 am äußeren Umfang gerichtet war. Unter Berücksichtigung der Verringe
rung des gesamten Querschnittes durch die Sonde 19 wurde die Strömungsgeschwindigkeit der Verbren
nungsgase an den Mundstücken 21 und 29 zu 0,53 Mach bestimmt.
Bei Verwendung dieser Vorrichtung und ohne wesentliche Änderungen gegenüber dem Versuch A bei
der Zuführung von Erdgas und Luft in die Verbrennungskammer 11 oder beim Abschrecken wurde
flüssiger Rußrohstoff durch die Mundstücke 21 in einer Menge von 14201/Std. und durch die Mundstücke 29 in
einer Menge von 356 I/Std, insgesamt von 17761/Std.
eingeführt Der Druck wurde bei etwa 21,7kp/cm2
gehalten. Unter diesen Bedingungen wurde beobachtet.
14
daß die Ströme des Rußrohstoffes zusammenhängend bis auf 20 bis 25% des Querschnittes in den
Verbrennungsgasstrom eindrangen.
Es wurden etwa 1050 kg Ruß/Std. gewonnen, wobei die gesamte Verbrennung nur etwa 37,5% ausmachte.
Der erhaltene Ruß wurde analysiert, und es wurden die nachstehenden Eigenschaften festgestellt:
Färbekraft | 273% SRF |
Jod-Oberfläche | 108 mVg |
DBP-Absorption | 129cm3/100g |
Färbefaktor | 331 |
pH-Wert | >4,0 |
Der Vergleich der Versuche A und B zeigt, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren wichtige Vorteile erzielt
werden. Diese Vorteile bestehen darin, daß mehr Ruß gewonnen wird, ohne Verschlechterung der Eigenschaften,
daß die Ausbeute an einem gegebenen RuD entwedt! je Einheit des verwendeten Brennstoffes bei
der Verbrennung oder je Einheit des flüssigen Rußrohstoffes erheblich erhöht wird. Darüber hinaus
werden nach dem Versuch B Ruße gewonnen, die neu und insbesondere zum Verstärken von Kautschuk und
Elastomeren brauchbar sind.
Bei diesem Beispiel, Versuch C, wurde der flüssige Ausgangsstoff nur von außen in die zylindrische
Injektionszone eingeführt. Die Vorrichtung war ähnlich der nach Beispiel 1. Bei diesem Beispiel hatte aber die
Leitung 17 neun Mundstücke 21, mit Durchmessern von 1.5 mm, und die Düse 41 zum Abschrecken war etwa
2,14 m stromabwärts von dem Auslaßende 28 der Leitung 17 angeordnet Als flüssiger Rußrohstoff wurde
ein Decant-Öl der nachstehenden Zusammensetzung und mit den nachstehenden Eigenschaften verwendet:
20 vorgewärmte Luft und 9101 Erdgas in die Verbrennungskammer
11 eingeführt. Die entstandenen Verbrennungsgase hatten an den Mundstücken 21 der
Leitung 17 eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,52 Mach. Auf etwa 260°C vorgewärmten Rußrohstofl
wurde unter einem Druck von etwa 20 kp/cm2 durch die Mundstücke in einer Menge von etwa 24601/Std. in der
Gasstrom eingeführt Ebenso wurde gemäß der US-PS 10 794 in die Verbrennungskammer 11 eine wäßrige
Lösung von Kaliumchlorid in einer solchen Menge eingeführt, daß auf 1001 des flüssigen Rußrohstoffe:
etwa 1,4 g KCl entfielen. Eine Beobachtung zeigte, da£ jeder der Ströme aus den Mundstücken 21 seiner
Zusammenhang behielt bis auf eine Tiefe von 20 bis 25% des Durchmessers der Leitung 17. Abgeschreckt wurde
so, daß durch die Düsen 41 Wasser eingesprüht wurde in einer solchen Menge, daß das Umsetzungsgemisch aul
etwa 750 bis 7600C abgekühlt wurde. Ruß wurde erhalten in einer Menge von etwa 0,65 kg/1 Ausgangsstoff.
Die Gesamtverbrennung bei dem Versuch C lag bei etwa 31,8%. Der erhaltene Ruß hatte die
nachstehenden Eigenschaften:
Färbekraft
Jod-Oberfläche
DBP-Absorption
Färbefaktor
pH-Wert
246% SRF
75 m2/g
113cmV100g
321
>4,0
Wasserstoff (%) | 8,04; 8,03 | 40 | \f Γ la | hi ι |
Kohlenstoff (%) | 90,7; 91,0 | Verfahren | ||
H/C | 1,05 | |||
Schwefel (%) | 1,3 | |||
Asphaltene(%) | 2,1; 2,0 | |||
API-Schwere (bei 15,6/15,6°C) | + 0,9 | 4i | ||
Spez. Gewicht (bei 15,6/i 5,6° C) | 1,069 | |||
Viskosität, | ||||
SUSbei54°C | 150,6; 151,0 | |||
SUS bei 99° C | 44,6; 44,7 | |||
Sediment (%) | 0,035 | ->o | ||
Asche (%) | 0,014 | |||
Natrium (ppm) | 5,7 | |||
Kalium (ppm) | 0,54 | |||
GLC-Ring-Analyse(% von Aromaten): | ||||
1 -Ring-Verbindungen (%) | 0,9 | |||
2-Ring-Verbindungen (%) | 6,8 | |||
3-Ring-Verbindungen (%) | 19,3 | |||
4-Ring-Verbindungen (%) | 60,0 | |||
5-Ring- und höhere | ||||
Verbindungen (%) | 13,0 | |||
Wasser (Vol.-%) | <0,05 | |||
Flammpunkt (° C, C.O.C.) | ||||
(Cleveland Open Cup) | 166 | |||
Brennpunkt (°C, C.O.C.) | 190 | |||
kg/l | 0,97 | |||
Es wurde ein Erdgas mit einem Methangehalt von 96,61% verwendet, das einen Heizwert (flüssiges
Wasser) von 8400 kg-Kal/N-m3 hatte.
Unter Verwendung dieser Stoffe und dieser Vorrichtung wurden stündlich 119001 auf etwa 37TC
Dieser Versuch (D) entsprach dem Versuch C mit den nachstehenden Änderungen der Vorrichtung und des
Verfahrens:
Vorrichtung (a) Mundstücke 21 mit Durchmessern von 1,4 mm,
(b) eine koaxiale, mit Wasser gekühlte Sonde 19 zur Einführung des Rußrohstoffes
mit einem äußeren Durchmesser von 5 cm wurde zusätzlich verwendet. Sie hatte eine Kappe 27 mit drei
gleichwinklig und radial angeordneten Mundstücken 29 mit Durchmessern von 1,17 mm. Diese Mundstücke 29
waren in einer Ebene mit den Mundstücken 21 angeordnet.
(c) Die Düse 41 zum Abschrecken war etwa 2,75 m stromabwärts von dem
Auslaßende 28 der Leitung 17 angeordnet.
(d) Flüssiger Rußrohstoff wurde durch die Mundstücke 21 unter einem Druck von
etwa 19,6 kp/cm2 in einer Menge von etwa 2400 I/Std. und zusätzlich durch
die Mundstücke 29 unter einem Druck von etwa 18,2 kp/cm2 in einer Menge
von etwa 510 I/Std. eingeführt.
(e) Die Verbrennungsluft für die Verbrennungskammer wurde auf eine Temperatur
von etwa 3600C vorgewärmt, und
(f) in die Verbrennungskammer 11 wurde eine wäßrige Lösung von Kaliumchlorid
in einer solchen Menge zugeführt, daß auf 100 I des Ausgangsstoffes etwa
2,06 g KCI entfielen.
15
Wesentliche Änderungen gegenüber dem Versuch C wurden weder hinsichtlich des Erdgases noch der
Mengen der Luft in der Verbrennungskammer 11 vorgenommen. Die Verbrennungsgase hatten eine
Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,52 Mach. Die Ströme des Rußrohstoffes aus den Mundstücken 21
oder 29 in der Injektionszone 13 behielten ihren Zusammenhang beim Eindringen bis auf 20 bis 25% des
Querschnittes des Brenngasstromes. Ruß wurde gewonnen in einer Ausbeute von etwa 0,65 kg je Liter des
flüssigen Rußrohstoffes. Die Gesamtverbrennung beim Versuch D lag bei etwa 30,8%. Der erhaltene Ruß bei
dem Versuch D hatte die nachstehenden Eigenschaften:
Färbekraft | 246% SRF |
Jod-Oberfläche | 70 mVg |
DBP-Absorption | 112cm3/1OOg |
pH-Wert | >4,0. |
Die Vorrichtung bei diesem Versuch entsprach der nach der Fig. 1 und hatte die nachstehenden Abmes-
Verbrennungskammer 11
Zylindrische Leitung 17
Zylindrische Leitung 17
Volumen 125 I.
Länge 28,0 cm,
innerer Durchmesser
31,5 cm,
Länge 28,0 cm,
innerer Durchmesser
31,5 cm,
Mundstücke 21 Zwölf radial orientierte
Mundstücke mit Durchmessern von 1,78 mm gleichwinklig in einer Ebene um den Umfang
der Leitung 17. Die Ebene dieser Mundstücke 21 befand sich etwa 14 cm stromaufwärts von dem
Auslaßende 28 der Leitung 17.
Reaktionskammer 33 Ein wärmeisolierter,
feuerfest ausgekleideter, zweistufiger zylindrischer Tunnel mit einer Gesamtlänge
von etwa 9.2 m. Der innere Durchmesser des 6,1 m langen Abschnittes
am Auslaßende 28 der Leitung 17 betrug 46 cm, der innere Durchmesser des zweiten 3 m langen
Abschnittes in Verbindung mit dem ersten Abschnitt betrug 69 cm.
Abschreckmittel Mehrere Düsen 41 zum
Versprühen von Wasser in einem Abstand von 8,9 m von dem Auslaßende 28
der Leitung 17.
Butan wurde als Brennstoff verwendet. Ein Teer, der
bei der Herstellung von Olefin als Nebenprodukt beim Dampferacken anfiel, wurde als flüssiger Rußrohstoff
verwendet. Bei dem Vergleichsversuch, dem Versuch E, wurden der Verbrennungskammer stündlich 17 200 I auf
etwa 37O°C vorgewärmte Luft und 326 1 Butan
zugeführt. Der Brenngasstrom hatte in der Leitung 17 bei den Mundstücken 21 eine lineare Strömungsgeschwindigkeit
von etwa 0,54 Mach. Der auf 150°C vorgewärmte flüssige Rußrohstoff wurde den Mundstücken
21 unter einem Druck von etwa 21,7 kp/cm2 in einer Menge von etwa 40301/Std. zugeführt. In die
Verbrennungskammer 11 wurde eine Lösung von ) Kaliumchlorid in einer solchen Menge eingeführt, daß
auf 1001 des Ausgangsstoffes 48,5 g KCl entfielen. Die
Ströme des Rußrohstoffes aus den Mundstücken 21 drangen zusammenhängend in den Brenngasstrom bis
auf eine Tiefe von 20 bis 25% des Durchmessers der in Leitung 17 ein. Unter diesen Bedingungen wurden
stündlich 2500 kg Ruß gewonnen, mit einer Ausbeute von 0,62 kg/l des flüssigen Rußrohstoffes. Die
Gesamtverbrennung bei diesem Versuch E lag bei etwa 30,1%. Der erhaltene Ruß hatte die nachstehenden
ii Eigenschaften:
Jod Zahl (ASTM 1510) 94
DBP-Absorption 90cmV100g
DBP-Absorption 90cmV100g
Färbekraft 225% SRF
Dieser Versuch F ist eine Fortsetzung des Versuches E mit den folgenden Änderungen der Vorrichtung und
des Verfahrens:
Vorrichtung (a) eine koaxiale Sonde 19 zur Einführung des Ausgangsstoffes gemäß Beispiel 2
wurde zusätzlich verwendet. Die Sonde hatte einen äußeren Durchmesser von 5 cm. Die Kappe 27 hatte sechs
radial orientierte Mundstücke 29 mit Durchmessern von 1,32 mm, die gleichwinklig um den Umfang herum
angeordnet waren. Die Sonde war so tief angeordnet, daß die Mundstücke 29 praktisch in der gleichen Ebene mit
den Mundstücken 21 lagen.
Verfahren (b) Der flüssige Rußrohstoff wurde durch die Mundstücke 21 unter einem Druck
von etwa 15,0 kp/cm2 in einer Menge von etwa 3700 I je Stunde und durch
die Mundstücke 29 unter einem Druck von etwa 15,0 kp/cm2 in einer Menge
von etwa 9101 je Stunde, also insgesamt mit stündlich 46101 eingeführt.
(c) die der Verbrennungskammer 11 zugeführte Luft wurde auf etwa 3300C
vorgewärmt.
(d) die Lösung von Kaliumchlorid wurde in einer solchen Menge zugeführt, daß
auf 100 I des flüssigen Ausgangssloffes etwa 42,5 g KCI entfk-'ien.
Die Strömungsgeschwindigkeit der Verbrennungsgase an den Mundstücken 21 und 29 lag bei etwa 0,54
Mach, unier Berücksichtigung der Verringerung des Querschnittes durch die Sonde 19. Die Ströme des
Rußrohstoffes aus den Mundstücken 21 und 29 drangen zusammenhängend in den ringförmigen Brenngasstrom
bis auf etwa 20 bis 25% des Durchmessers ein. Bei dem Versuch F wurden stündlich etwa 2830 kg Ruß mit einer
Ausbeute von etwa 0,63 kg/l flüssigen Rußrohstoffes erhalten. Die Gesamtverbrennung bei diesem Versuch
lag bei nur etwa 26,9%. Der erhaltene Ruß hatte die folgenden Eigenschaften:
Jod Zahl (ASTM 1510) 84
DBP-Absorption ll7cm'/IOOg
DBP-Absorption ll7cm'/IOOg
Färbekraft 205% SRI"
Der Versuch G ist eine Fortsetzung des Versuches F mit folgenden Änderungen des Verfahrens:
(a) Die wäßrige Lösung von Kaliumchlorid wurde in einer solchen Menge zugeführt, daß auf 1001 des
flüssigen Rußrohstoffes 132 g KCl entfielen.
(b) Die der Brennkammer 11 zugeführte Luft wurde nur auf 315° C vorerwärmt ι ο
Unter diesen Umständen wurden stündlich etwa 2830 kg Ruß in einer Ausbeute von etwa 0,63 kg/1001
des flüssigen Rußrohstoffes gewonnen. Die gesamte Verbrennung bei dem Versuch G lag nur bei etwa
27,0%. Der erhaltene Ruß hatte die nachstehenden Eigenschaften:
Jod Zahl
DBP-Absorption
Färbekraft
77cmV100g
229% SRF
229% SRF
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung von Ruß in einem Ofen, wobei in einen umschlossenen Strom heißer
Verbrennungsgase, der sich mit einer zur Dispergierung und Feinstverteilung von flüssigem Rußrohstoff
ausreichenden !Lineargeschwindigkeit bewegt, der flüssige Rußrohstoff quer zur Strömungsrichtung
des Brenngasstromes eingeleitet und das aus der Rußbildungsreaktion resultierende Gemisch
unter Bildung der festen Rußpartikel abgeschreckt wird, worauf der Ruß abgetrennt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der flüssige Rußrohstoff
in Form einer Mehrzahl von zusammenhängenden einzelnen Strömen in den Brenngasstrom sowohl
von dessen äußerem Umfang als auch von mehreren Stellen von dessen Inneren her nach auswärts so
eingeleitet wird, daß jeder der zusammenhängenden Ströme in den Strom der Verbrennungsgase bis zu
einer Tiete eindringt, die ausreicht, um eine nennenswerte Berührung zwischen der Apparatewand
und dem Rußrohstoff vor dessen Einmischung mit dem heißen Verbrennungsgasstrom und der
Bildung der Rußpartikel darin zu vermeiden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Verbrennungsgasstroms
an den Einleitungsstellen für den Rußrohstoff auf mindestens 0,35 Mach gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß -lie Ströme des Rußrohstoffes auf eine
Tiefe von jeweils 15 bis 50% in den Ringquerschnitt des Stromes der Verbrennungsgase eingeleitet
werden.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ϊ gekennzeichnet, daß der Strom der Verbrennungsgase auf eine lineare Geschwindigkeit von 0,4 bis 0,8
Mach beschleunigt wird.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme des Rußrohstoffes
ίο aus in einer Ebene angeordneten Einlassen in den
Strom der Verbrennungsgase eingeleitet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Strom der
Verbrennungsgase einen praktisch kreis(ring)förmigen Querschnitt gibt
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Strom der
Verbrennungsgase einen praktisch rechteckigen Querschnitt gibt.
8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der RuSbildungszone auf 1 bis 100
Millisekunden gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verbrennung
des Brennstoffes mehrere Ströme von Verbrennungsgas mit ringförmigem Querschnitt gebildet
werden und in jeden dieser Ströme der Rußrohstoff von außen und innen eingeführt wird.
jo
10. Verfahren nach einem der Anspräche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme des von innen zugeführten Rußrohstoffes an Stellen in den
Strom der Verbrennungsgase eingeleitet werden, die zwischen den Einlaßöffnungen für die Einleitung des
S5 Rußrohstoffes von außen angeordnet sind.
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