DE2530371B2

DE2530371B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ruß

Info

Publication number: DE2530371B2
Application number: DE2530371A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr. 5030 Hermühlheim Rothbühr; Manfred Dr. 6450 Hanau Voll
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1975-07-08
Filing date: 1975-07-08
Publication date: 1981-05-21
Also published as: GB1532661A; FR2317341B1; CA1084670A; JPS5238491A; JPS5411276B2; NL182736B; US4179494A; AT344837B; BE843890A; NL7606895A; FR2317341A1; ATA498976A; DE2530371A1; IT1063189B; US4228131A; NL182736C

Description

Wegen der geschlossenen, leicht automatisierbaren Arbeitsweise ist das Ofenrußverfahren oder Furnacerußverfahren heute das wichtigste Verfahren zur Herstellung von Massenrußen und Spezialrußqualitäten. Es hat weiterhin die Vorteile der vollkontinuierlichen Arbeitsweise sowie einer gegenüber anderen Verfahren günstigeren Wärmenutzung. Auch fällt bei der Furnacerußherstellung in der Regel ein brennbares Abgas an, das zur Beheizung von Trockenanlagen und zur Herstellung von Dampf benutzt werden kann. Wegen der verschiedenen genannten Vorteile wird versucht dieses Verfahren auch bezüglich der herstellbaren Rußqualitäten immer flexibler zu gestalten und neue Maßnahmen, Arbeitsweisen und Vorrichtungen auszuarbeiten, die spezielle Anforderungen an benötigte Rußqualitäten erfüllen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem ein breites Spektrum von Rußtypen mit günstigeren farbtechnischen und gummitechnischen Eigenschaften hergestellt werden kann. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche einen Fortschritt in der Vielseitigkeit der darin herstellbaren Rußtypen bei verbesserter Wirtschaftlichkeit erbringt.

Das üblicherweise angewandte Prinzip zur Herstellung von Furnacerußen mit Primärteilchengrößen von kleiner als 40 nm, entsprechend BET-Oberflächen von größer als 60 m²/g, besteht in folgendem:

Durch tangentiales Einströmen eines sauerstoffhaltigen Mediums (meist Luft) in einen zylinderförmigen oder kegelstumpfförmigen Raum wird eine drallförmige Strömung erzeugt, die in der Längsachse des Zylinders oder Kegelstumpfes fortschreitet. In diese Luftströmung wird entweder von der Achse her (z. B. DE-PS 11 89 221, DE-OS 24 18 274) oder von der Peripherie her (DE-OS 15 92 955, DE-OS 15 92 853) ein Brennstoff eingegeben, der verbrennt und eine heiße Masse rotierender Gase erzeugt. In diese heiße Gasmasse wird nun axial ein meist flüssiger Rußrohstoff eingesprüht,

wobei ein Teil des Rußrohstoffes noch verbrennt und der Rest durch thermische Spaltung in RuB und Wasserstoff umgesetzt wird. Als Rußrohstoffe dienen z. B. Kohlenwasserstoffe hocharomatischer Zusammensetzung wie Kobleteeröle, Äthylencrackerrückstände und andere Erdölprodukte.

Unterscheiden kann man die Verfahren nach der Art des Mischprinzips für die Einmischung des Rußrohstoffes in die heißen Verbrennungsgase.

Die erste Gruppe von Verfahren benutzt eine konstante Raumgeometrie, z. B. einen Zylinder, der gleichzeitig Verbrennungskammer und Reaktionskammer ist Eine typische Vorrichtung wird in der DE-OS 19 10 125 dargestellt

Eine zweite Gruppe von Verfahren besitzt eine definierte Verbrennungskammer mit meist größerem Volumen und Durchmesser gegenüber der Reaktionskammer oder Reaktionszone. Eine typische Vorrichtung wird in der DE-OS 24 18 274 dargestellt

Die mit diesen beiden Verfahrensgruppen realisierbare Mischintensität reicht keinesfalls aus, um allen Ansprüchen an Variabilität und Rußqualität zu genügen.

Eine dritte Gruppe von Rußherstellverfahren arbeitet deshalb mit einer Verbrennungskammer, in der heiße Verbrennungsgase erzeugt werden, in welche der Rußrohstoff eingesprüht wird. Zur Intensivierung der Vermischung leitet man die heißen Verbrennungsgase nach der Einsprühung des Öls durch eine Engstelle oder Einschnürung. Die Einschnürung kann dabei stufenartig in Form eines Prallringes (DE-PS 12 11736, DE-OS jo 11 89 211) oder kegelstumpfförmig (DE-OS 15 92 852) ausgebildet sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Furnaceruß zu schaffen, und zwar mittels thermischer Spaltung von Rußrohstoff j5 durch Oxydation eines Brennstoffes in einer Brennkammer unter Erzeugung eines Stromes heißer Verbrennungsgase, Einführen dieses Stromes in eine gegenüber der Brennkammer verengte Mischkammer, Einbringen des Rußrohstoffes in die Mischkammer und Überführen des Gemisches in eine gegenüber der Mischkammer erweiterte Reaktionskammer sowie Abschrecken des Ruß enthaltenden Reaktionsgemisches.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man den Strom heißer Verbrennungsgase über einen Ringkanal in die Mischkammer oder in eine ringkanalförmige Mischkammer einführt und den Rußrohstoff in der Mischkammer oder im Ringkanal von innen nach außen einsprüht.

Das Verfahren bedient sich eines kompletten hochfeuerfest ausgemauerten Reaktors, erzeugt eine Strömung heißer Verbrennungsgase und leitet diese in eine Engstelle ein. Hier wird bei den höchsten im Reaktor auftretenden Geschwindigkeiten der Rußrohstoff in Richtung von innen nach außen eingesprühi. Die Rußbildung erfolgt in einer anschließenden, wieder erweiterten Reaktionskammer.

Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, daß die axiale Geschwindigkeit der heißen Verbrennungsgase beim Eintritt in den Ringkanal der Mischkammer oder t>o in die ringkanalförmige Mischkammer größer als 400 m/sec ist und vorzugsweise zwischen 600 und 850m/sec beträgt und die Einsprühung des Rußrohstoffs mit eint'm Sprühwinkel zwischen 45 und 180° erfolgt. Vorteile ergeben sich ferner, wenn man in der b5 Brennkammer «,!ine Drallströmung erzeugt.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des nach den¹ beschriebenen Verfahren erhältlichen Rußes.

Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Kammer zur Verbrennung eines Brennstoffes mit einem sauerstoffhaltigen Gas, einer an die Brennkammer anschließenden Engstelle sowie einer gegenüber der Engstelle erweiterten und an diese anschließenden Reaktionskammer. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine zwischen beiden Kammern angeordnete Mischkammer und einen 'Ringkanal oder eine ringkanalförmige Mischkammer und eine in der Mischkammer bzw. in dem Ringkanal oder in einer ringkanalförmigen Mischkammer angebrachte Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung mit von innen nach außen gerichteten Austritten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also so ausgebildet sein, daß der Zerstäuber in der Mischkammer nach dem Ringkanal oder in dem Ringkanal vor der Mischkammer oder in einer ringkanalförmigen Mischkammer angebracht ist

Nach einer Ausführungsform, welche eine Kombination des Ringkanals mit einer mittig durchgängigen, bevorzugt zylindrischen Mischkammer vorsieht, ist die Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung in der Mittelachse der Mischkammer angeordnet.

Der Ringkanal kann von dem Innenmantel der Mischkammer und dem Außenmantel der Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung oder eines Verdrängungskörpers von gegenüber dem Mischkammerdurchmesser kleinerem Durchmesser bzw. von Abschnitten der genannten Mäntel gebildet werden.

Eine günstige Ausbildung der Vorrichtung, welche vor allem eine variable Einstellung des Eingabeortes für den Rußrohstoff während des Betriebes, eine schnelle Auswechselung und Reinigung der Sprüheinrichtung sowie eine rasche Neubestückung mit Austrittsdüsen, gegebenenfalls unter Änderung des Einsprühwinkels, gestattet, besteht darin, daß sich eine durch die Reaktorstirnwand geführte und entlang der gemeinsamen Mittelachse der Kammern verschieblich gelagerte Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung mit endständigen, von der Mittelachse her nach außen gerichteten Austritten unter Ausbildung eines Ringkanals variabler Länge in die Mischkammer hinein erstreckt.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß die nach außen gerichteten Austritte im Außenmantel einer in einer ringkanalförmigen Mischkammer angeordneten Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung angeordnet sind. Dabei kann die Querschnittsfläche der ringkanalförmigen Mischkammer gleich oder größer als die Querschnittsfiäche des Ringkanals sein.

Es hat sich ferner als zweckmäßig erwiesen, daß das Querschnittsflächenverhältnis zwischen Brennkammereintritt und Mischkammereintritt mindestens 7 zu 1, vorzugsweise 7 bis 50 zu 1, und das Querschnittsflächenverhältnis zwischen Reaktionskammeraustritt und Mischkammeraustritt zwischen 4 bis 10 zu 1 beträgt.

Bei allen vorgeschlagenen Ausführungsformen werden die Austritte der Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung am besten so eingestellt, daß der Sprühwinkel zwischen 45 und 180° beträgt.

Die Länge der Mischkammer richtet sich nach dem vorgesehenen Bereich der Durchsatzverhältnisse.

Verfahren und Vorrichtung gemäß Erfindung erlauben neben den bereits genannten Vorteilen eine absolut saubere Trennung der Vorgänge in den einzelnen Reaktorkammern: In der Brennkammer läuft ausschließlich die Bildung heißer Gase ab, mit denen der

Rußrohstoff gecrackt wird. In der Mischkammer wird bei kürzester Verweilzeit praktisch ausschließlich die Durchmischung von Heißgas und Rußrohstoff bewirkt. In der Reaktionskammer kann die Rußbildung definiert und kontrolliert ablaufen.

Verfahren und Vorrichtung gestatten die Erzielung verbesserter Rußausbeuten. Darüber hinaus lassen sich damit Kautschukruße mit verbesserten Abriebseigenschaften und Zerreißfestigkeiten sowie Farbruße mii erhöhter Farbstärke und Farbtiefe herstellen. m

Es wurde zwar schon über eine Vorrichtung und ein Verfahren berichtet, das eine wassergekühlte Brennkammer und Engstelle aus Metall nutzt, in die durch wenige Löcher der Rußrohstoff von der Außenwand her nach innen gedrückt wird und an sich ein ausgemauerter ι ί Reaktor größeren Querschnitts angeschlossen ist (DE-OS 2128 030). Diese Vorrichtung und dieses Verfahren weichen grundsätzlich hinsichtlich der Ausbildung der Engstelle und der Eingaberichtung für den Rußrohstoff vom Gegenstand der Erfindung ab, so daß hiermit die Verfahrensbedingungen gemäß Erfindung nicht eingestellt werden können. Als weitere Nachteile der bekannten Konstruktion und Arbeitsweise sind die räumliche Folge von wassergekühltem Metall und auf hoher Temperatur befindlichen Mauerungsteilen zu nennen, die Dichtprobleme und Kühlprobleme verursachen. Weiterhin kann der Einmischpunkt und der Einmischwinkel des flüssigen Rußrohstoffes nicht ohne Schwierigkeiten verändert werden.

Demgegenüber hat sich für das Verfahren der 3(1 vorliegenden Erfindung ein Einführen der heißen Verbrennungsgase über einen Ringkanal in eine Mischkammer oder alternativ in eine ringkanalförmige Mischkammer sowie ein Einsprühen des Rußrohstoffes in Mischkammer oder Ringkanal in Richtung vom J5 Kammer- bzw. Kanalinneren nach außen als wesentlich erwiesen. Der überraschende Vorteil besteht in der Erzeugung einer ungemein hohen Mischintensität für die Einmischung des Rußrohstoffes in die heißen Verbrennungsabgase und in dadurch Zustandekommenden Vorteilen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Rußqualität

Der Ringkanal erlaubt die Erzielung extrem hoher Strömungsgeschwindigkeiten und extrem hoher Turbulenzen an der Stelle der Rußrohstoffzugabe. Es wird angenommen, daß diese Turbulenzen durch die beträchtliche Wandreibung des strömenden Mediums und, beispielsweise bei unterschiedlichen Querschnittsflächen von Ringkanal und Mischkammer, durch Ausbildung von Rückströmungseffekten an zurückspringenden Kanten entstehen.

Die derart bewirkte extrem hohe Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenz ist bisher bei Rußherstellungsverfahren nicht eingesetzt worden. Die Turbulenz wird zur Einmischung des Rußrohstoffs in die heißen Verbrennungsgase und zur innigen Durchmischung mit diesen herangezogen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile können auch nicht mit einer Vorrichtung, wie sie in der DE-OS 20 00 112 beschrieben ist, erreicht werden. Diese besteht aus einer Verbrennungskammer in der ein Brennstoff unter Erzeugung eines Stroms heißer Verbrennungsgase erzeugt wird, einer dieser Brennkammer über eine Beschränkungsöffnung nachgeschalteten Reaktionskammer und einer Einrichtung für die Dispergiening eines Beschickungskohlenwasserstoffes im Heißgas, weiche u. a. innerhalb oder hinter der Beschränkungsöffnung münden kann. Die bekannte Vorrichtung unterscheidet sich indessen entscheidend dadurch von der Vorrichtung gemäß Erfindung, daß die Beschränkungsöffnung nicht als Ringkanal ausgebildet ist und eine einem solchen nachgeschallete Mischkammer fehlt, in der der Rußrohstoff von innen nach außen in das Heißgas eingesprüht werden könnte.

Schließlich gestatten auch die im folgenden abgehandelten Gegenstände der deutschen Offenlegungsschriften 15 92 955, 15 92 958 und 2131903 nicht, die erfindungsgemäß erzielbaren Wirkungen zu erhalten.

In der DE-OS 15 92 955 ist ein Verfahren zur Herstellung von Ofenruß beschrieben, wobei eine Vorrichtung verwendet wird, welche aus 3 unterschiedlichen, aber axial zusammenhängenden Reaktionszonen besteht. Das Verfahren umfaßt die folgenden Vorgänge: 1. Einführen eines ersten Stromes eines freien Sauerstoff enthaltenden Gases in den stromaufwärts gelegenen Endteil einer zylindrischen ersten Zone, deren Länge größer ist als ihr Durchmesser. 2. Einführen eines Kohlenwasserstoffstromes in die erste Zone und in das darin enthaltene, freien Sauerstoff enthaltende Gas an einer Stelle, die stromabwärts von der Einführungsstelle des freien Sauerstoff enthaltenden Gases und stromaufwärts von dem unteren Ende der ersten Zone liegt. 3. Überführen der entstehenden Beimischung aus der ersten Zone in eine im allgemeinen zylindrische zweite Zone, deren Durchmesser größer als ihre Länge und größer als der Durchmesser der ersten Zone ist, wobei das stromaufwärts gelegene Ende dieser zweiten Zone mit dem stromabwärts gelegenen Ende der ersten Zone in offener Verbindung steht und zu ihr axial ausgerichtet ist 4. Einführen eines zweiten Gasstromes, der aus einem freien Sauerstoff enthaltenden Gas besteht, in diese zweite Zone, um eine Gasmenge zu bilden, welche die aus der ersten Zone eingeführte Zumischung umgibt. 5. Überführen dieser aus der zweiten Zone kommenden und von der Gasmasse umgebenen Beimischung durch eine Drossel und in eine im allgemeinen zylindrische dritte Zone, deren Länge größer als ihr Durchmesser ist.

Die DE-OS 15 92 958 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Ofenruß mit folgenden Schritten: 1. Das tangential Einführen eines ersten freien. Sauerstoff enthaltenden Gasstromes in den stromauf gelegenen Endteil einer im allgemeinen zylindrischen ersten Zone, deren Länge größer als ihr Durchmesser ist. 2. Das axiale Einführen eines Stromes der Kohlenwasserstoffbeschickung in diese erste Zone an einer Stelle stromab von der Einführungsstelle des freien Sauerstoff enthaltenden Gases, wobei eine Vorrichtung verwendet wird, welche gemäß F i g. 1 der Offenlegungsschrift aus drei Kammern besteht Die erste Kammer entspricht der o. a. zylindrischen ersten Zone. Die zweite Kammer schließt axial an die erste Kammer an, wobei der Durchmesser der zweiten Kammer größer ist als der Durchmesser der ersten Kammer und die zweite Kanuner eine zylindrische Form aufweist Stromabwärts gelegen schließt sich an die zweite Kammer eine dritte Kammer an, welche in Strömungsrichtung konisch zuläuft und mit einer Wassereindüsvorrichtung versehen ist

Die DE-OS 21 23 903 beschreibt eine Vorrichtung zur Herstellung von Ofenruß, bei welcher die Abgase in einer Turbine zur Krafterzeugung benutzt werden. Der Reaktor ist näher in der DE-OS 15 92 852 beschrieben. In einer kegelstumpfförmig sich verengenden Verbrennungskammer wird Brenngas mit Heißluft verbrannt und nach Passieren einer Engstelle weitet sich die Kontur kegelstumpfförmig wieder auf. Der Rußrohstoff

wird sowohl nach A b b. 1 von DE-OS 21 31 903 als auch nach DE-OS 15 92 852 in der ersten konvergenten Zone, also in die Brennkammer zugeführt.

Im Gegensatz zu den erwähnten bekannten Verfahren wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine -, Vorrichtung verwendet, welche aus einer ersten Kammer besteht, in welcher durch Oxydation eines Brennstoffes ein Strom heißer Verbrennungsgase erzeugt wird. Dieser Strom wird anschließend durch eine verengte Mischkammer geführt, wobei innerhalb dieser Mischkammer der Rußrohstoff eingeführt wird. Wesentlich ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, daß die heißen Verbrennungsgase in die Mischkammer durch einen Ringkanal mit starker Querschnittsverengung gegenüber dem Brennkammerquerschnitt eingeführt werden und daß der Rußrohstoff in die stark beschleunigten Verbrennungsgase in Richtung von innen nach außen eingebracht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen zu Vorrichtung und Verfahren in Verbindung mit der Zeichnung weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Reaktortyps mit dem Vergleichsversuche durchgeführt wurden, r>

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit in der Mischkammer nach dem Ringkanal angeordnetem, längsbeweglichen Zerstäuber;

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrich- jo tungsvariante mit in dem Ringkanal vor der Mischkammer angeordnetem Zerstäuber;

F i g. 4 schematische Darstellungen einer Vorrichtung gemäß Erfindung mit in ringkanalförmigen Mischkammern verschiedener Ausbildungen A, B, Cangeordne- j> tem Zerstäuber.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Rußherstellung in voll ausgemauerten Reaktoren mit Drallströmung ist z. B. in der deutschen Patentanmeldung P 24 10 565.5 dargestellt. Danach läßt man vorgewärmte Verbrennungsluft 4(1 in eine Brennkammer so einströmen, daß eine Drallströmung entsteht. In diese Drallströmung wird Gas aus einer Brenner/Injektor-Kombination eingegeben, so daß eine Masse von heißen rotierenden Gasen entsteht. In diese heiße Gasmasse wird der Rußrohstoff 4^r> eingesprüht und das Reaktionsgemisch anschließend durch eine Einschnürung geführt. Die Rußbildung beginnt bereits in der Brennkammer, setzt sich in der Einschnürung (Engstelle) fort und wird in der Reaktionskammer abgeschlossen. Bei dem hierzu verwendeten bekannten Reaktortyp tritt gemäß F i g. 1 vorgewärmte Verbrennungsluft durch die Leitung 7 tangential in die Brennkammer 8 ein.

Die Brennkammer, die darauffolgende Engstelle 9 und die Reaktionskammer 10 sind mit einer hochfeuerfesten Ausmauerung 11 auf Basis Aluminiumoxid versehen. In der Mittelachse des Reaktors ist eine Brennstoffbrenner/Rußrohstoffinjektor-Kombination 12 angeordnet, aus der bei 13 Brennstoff — meist Brenngas — in die Heißluft eingegeben wird. Dadurch entsteht eine Masse von heißen Verbrennungsgasen, die sich in Richtung auf die Engstelle 9 hin weiterbewegen. In diese heißen Gase wird bei 14 der flüssige Rußrohstoff, meist mittels Zweistoffzerstäubung, eingesprüht. Nach Passage der Engstelle 9 wird die Reaktion in der Reaktionskammer 10 abgeschlossen und durch Einsprühen von Wasser bei 15 das Reaktionsgemisch abgeschreckt Charakteristisch für dieses Verfahren und die meisten typischen Rußherstellverfahren ist die über alle drei Zonen (Brennkammer, Engstelle und Reaktionskammer) hingezogene Rußbildung.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform eines Reaktors gemäß Erfindung tritt vorgewärmte Luft durch einen Luftkanal 16 tangential in die Brennkammer 1 ein und erzeugt eine Drallströmung. Anstelle von Luft können auch andere Oxydationsmittel zur Erzeugung der heißen Brenngase benutzt werden, z. B. mit Sauerstoff angereicherte Luft oder Sauerstoff. Durch Eingabe von Gasstrahlen aus einer Brennerhülse 17 bei Punkt 18 in die Brennkammer 1 wird eine Drallströmung von extrem heißen Verbrennungsabgasen erzeugt. Die Verbrennungsabgase, deren Temperatur vorzugsweise bei der Belastungsgrenze des hochfeuerfesten Ausmauerungsmaterials 19 liegt, werden in Richtung auf die Mischkammer 2 weiterbewegt. In der Brennerhülse 17 ist eine gegen Überhitzung geschützte Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung 5 längsverschieblich angeordnet, welche bei Arbeitsstellung so in die Mischkammer 2 eingeschoben ist, daß die heißen Verbrennungsgase durch einen Ringkanal 3 in die Mischkammer 2 eintreten müssen. Aus den Austritten 6 der Zerstäubungseinrichtung 5 wird der Rußrohstoff im wesentlichen in Form eines Hohlkegels senkrecht zur Reaktormittelachse oder in Strömungsrichtung des Reaktionsgemisches geneigt, in Richtung auf die Wandung der Mischkammer 2 eingegeben. In der Mischkammer setzt eine ideale, momentane und absolut gleichmäßige Vermischung des Rußrohstoffes mit den heißen Verbrennungsgasen ein, so daß sich in der Reaktionskammer 4 der Ruß bilden kann und bei der gewünschten Stelle, z. B. der Stelle 20, die Reaktion durch Einsprühen von Wasser abgebrochen werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die in F i g. 2 dargestellte Art der Brennstoffzugabe von der Mittelachse des Reaktors her beschränkt, die Brennstoffzugabe kann vielmehr auch von der Peripherie der Verbrennungskammer 1 her, z. B. durch Eingabe in die Verbrennungsluft, erfolgen. Auch muß die Zugabe der Verbrennungsluft nicht an einer einzigen Zugabestelle erfolgen, sondern kann auf mehrere Zugabestelien aufgeteilt werden. Weiterhin muß die Verbrennungskammer nicht stufenartig auf die Mischkammer zugehen, um sich danach wieder stufenartig zur Reaktionskammer hin zu erweitern. Auch ein konisches Zulaufen und Aufweiten der Übergangsstellen kann im Rahmen der Erfindung Anwendung finden.

Ausschlaggebend und charakteristisch ist dagegen das Einführen der heißen Verbrennungsgase in die Mischkammer durch einen Ringkanal mit starker Querschnittsverengung (bezogen auf den Brennkammerquerschnitt), wobei zweckmäßigerweise Geschwindigkeiten von mehr als 400 m/sec, vorzugsweise 600—850 m/sec für das Reaktionsgemisch angewandt werden und die von innen nach außen gerichtete Eingabe des meist flüssigen Rußrohstoffes bei den hohen Geschwindigkeiten und hohen Turbulenzen unter extrem schneller Einmischung des Rußrohstoffes erfolgt Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, den Rußrohstoff im wesentlichen in Form eines Hohlkegels mit einem Öffnungswinkel zwischen 45 bis 180° einzubringen. Hierzu können verschiedene, an sich bekannte Vorrichtungen, wie z. B. Hohlkegeldruckzerstäuber, benutzt werden.

Die Vorrichtung gemäß Fi g. 3 sieht eine Zugabe des Rußrohstoffes in dem der Mischkammer 2 vorgeschalte-

ten Ringkanal 3 vor. Die Rußstoffzufuhr kann dabei wieder durch eine von der Reaktorstirnseite her eingeführte Zerstäuber/Injektor-Kombination 5 erfolgen, deren Austritte 6 im Mantel der Zerstäubereinrichtung münden.

Die Mischkammer kann auch ringkanalförmig ausgebildet sein. Bei Variante A von F i g. 4 haben Ringkanal und ringkanalförmige Mischkammer denselben Querschnitt, d. h. beide bilden eine fluchtende Einheit. Der Ringkanal wird vom Mantel 21 einer als zentraler Verdrängungskörper wirkenden Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung 5 und der Mischkammerwand 22 gebildet. Die Austritte 6 der Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung 5 münden wiederum im Mantel des Zerstäubers 5.

Bei Variante B von F i g. 4 hat die ringkanalförmige Mischkammer 2 größere Querschnittsfläche als der Ringkanal 3. Dies wird dadurch erreicht, daß sich der Querschnitt eines in einem Zylinder angeordneten Verdrängungskörpers kreisförmigen Querschnitts im vorliegenden Falle einer Rußrohstoffeingabeeinrichtung 5, in Richtung vom Ringkanal 3 zur Mischkammer 2 stufenförmig verringert. Die Austritte 6 der Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung 5 können hier entweder im Ringkanal (ausgezogene Pfeile) oder in der Mischkammer (gestrichelte Pfeile) münden.

Bei Variante Cvon F i g. 4 weitet sich der äußere, den Ringkanal 3 und die Mischkammer 2 begrenzende zylindrische Mantel in Richtung vom Ringkanal zur Mischkammer konisch auf, während sich die zentrale Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung 5 mit gleichbleibendem Querschnitt durch den gesamten Ringkanal-Mischkammerabschnitt erstreckt.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Arbeitsweise werden im folgenden an einigen Ausführungsbeispielen, welche unter Verwendung der Vorrichtung gemäß F i g. 2 durchgeführt wurden, dargestellt. Dadurch soll jedoch keinerlei Einschränkung des Erfindungsgedankens erfolgen.

Zunächst wird eine Übersicht über die Eigenschaften des in den Beispielen 1 bis 4 eingesetzten flüssigen Rußrohstoffs gegeben:

Dichte 20° C g/ml 1,137

Destillationsrückstand g/100 ml 3,1

Rückstand nach Conradson % 1,6

Asphalthene% l,l

Benzolunlösliche % 0,02

Siedeverhalten

Siedebeginn⁰ C 241

5Vol.-°/o°C 290

10Vol.-%°C
20Vol.-°/o°C
Vol.-«!
Vol.-I
Vol.-%'
Vol.-¹?
Vol.-°/o'
Vol.-o/o'

°C
⁰C
⁰C
⁰C
⁰C
⁰C

306 327 335 345 352 362 375 392

In den Beispielen werden eine Reihe von Prüfungen nach DIN-Normen und ASTM-Normen angegeben. Nicht genormt in diesem Sinne sind die Kautschukmischungen in den Beispielen 1 und 2. Deshalb werden nachstehend die Zusammensetzung der verwendeten Kunstkautschukprüfmischung (SBR) und der verwendeten ölgestreckten Kunstkautschukmischung (OE-SBR) angegeben:

20 Kunstkautschukmischung lOOGew.-Teile

Gew.-Teile

Gew.-Teile
Gew.-Teile

Vulkanisationstemperatur 145°C ölgestreckte Kunstkautschukmischung

Buna-Hüls

Ruß

Zinkoxid RS

Stearinsäure

Schwefel

Vulcacit CZ (CBS)

96,5 Gew.-Teile 30,0 Gew.-Teile

75,0 Gew.-Teile 4,0 Gew.-Teile

1,2 Gew.-Teile 12,0 Gew.-Teile 1.5 Gew.-Teile

1.5 Gew.-Teile 1,2 Gew.-Teile

1.6 Gew.-Teile Vulkanisationstemperatur

Buna-Hüls 1712

CB-10

(Cis-polybutadien)

Ruß

Zinkoxid RS

Stearinsäure

Naphthalen ZD

PBN

4010 NA

Santocure NS

Schwefel

165° C

Beispiel

In diesem Beispiel soll ein Vergleich der entsprechend P 24 10 565.5 bisher üblichen Arbeitsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Herstellung einer ISAF-Qualität gegeben werden:

Querschnittsflächenverhältnis Brennkammereintritt/ Mischkammereintritt

Querschnittsflächenverhältnis Reaktionskammeraustritt/ Mischkammeraustritt

Verhältnis Brennkammerlänge/Mischkammerlänge Ringkanallänge, bezogen auf Mischkammerlänge (%) Stellung Rußrohstoffinjektoraustritt

Sprühkegelwinkel/Rußrohstoffzugabe

Eintrittsgeschwindigkeit Ringkanal m/sec

Herkömmliches	Erfindungsgemäßes
Verfahren	Verfahren
6,9	19,9
3,3	7,1
1,8	2,6
-	10
in Brennkammer	in Mischkammer
20°	90°
340	790

25 30	π	Fortsetzung	371	12	Herkömmliches	Beispie! 2	lirfinclungsgemiilJes Verfahren I
		Verfahren		I 2900
	2900		-
Verbrennungsluftmenge Nnv'h	200		240
Zerstäuberluftmenge Nm'h	240	775
Gasmenge Nnv'h	804	461
RußrohstolTmenge kg/h	418	59,5
Reproduktion kg/h	52,0
Ölausbeute %		124
Analytische Rußeigenschaften	125	118
Jodadsorption ASTM-D 1510 mg/g	118	1,21
BET-Oberfläche nach Haul ni²/g	1,19	96
DBP-Zahl ASTM-D 2414 ml/g	88
Farbstärke nach DIN 53 204		174
Gummitechnische Rußeigenschaften	169	321
Modul 300 SBR 50 min Heizzeit kp/cnr	286	109
Zerreißfestigkeit SBR 50 min Heizzeit kp/cnr	101	61
Abriebswiderstand gegen ISAF Standard	64	203
Modul 300 OE-SBR 20 min Heizzeit kp/cnr	178	rußhaltigem Kaut-
Zerreißfestigkeit OE-SBR 20 min Heizzeit kp/cnr	4. Der Abriebswiderstand von
Aus Beispiel 1 sind für das erfindungsgemäße	schuk steigt an.
Verfahren eine Reihe von Vorteilen abzulesen:
1. Bei gleichem Luftmengeneinsatz ist eine höhere
stündliche Rußproduktion bei deutlich gestiegener Jt ölausbeute möelich.

2. Bei sonst gleichen Daten der spezifischen Rußoberfläche und der Rußstruktur zeigen die erfindungsgemäß hergestellten Ruße eine erheblich höhere Farbstärke.

3. Die Zerreißfestigkeiten in synthetischem Kautschuk und ölgestrecktem synthetischen Kautschuk sind erheblich erhöht.

Auch Beispie! 2 bezieht sich auf die Herstellung eines Rußes für die Kautschukverarbeitung in einer Vorrichtung gemäß F i g. 2. Die Rußtype ist unter der Bezeichnung N 375 bekannt. Nachstehend sind vergleichbare Versuche nach dem herkömmlichen Verfahren gemäß P 24 10 565.5 und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gegenübergestellt:

Herkömmliches
Verfahren

Erfindungsgemäßes
Verfahren

Querschnittsflächenverhältnis Brennkammereintritt zu Mischkammereintritt

Queischnittsflächenverhältnis Reaktionskammeraustritt zu Mischkammeraustritt

Verhältnis Brennkammerlänge zu Mischkammerlänge Ringkammerlänge, bezogen auf Mischkammerlänge (%) Stellung Rußrohstoffinjektoraustritt Sprühkegelwinkel Rußrohstoffzugabe Eintrittsgeschwindigkeit Ringkanal m/sec

Verbrennungsluft Nm³/h
Zerstäuberluft Nm³/h
Gasmenge Nm³/h
Rußrohstoffmenge kg/h
Rußproduktion kg/h
Ölausbeute %

6,9	19,9
3,3	7,1
1,8	2,6
-	10
in Brennkammer	in Mischkammer
15°	78°
300	710
2600	2600
200	-
205	215
619	731
346	434
55,9	59,4

Fortsetzung

Herkömmliches
Verfahren

Erfindungsgemäßes Verfahren

Analytische Rußeigenschaften

Jodadsorption ASTM D-1510 mg/g BET-Oberfläche nach Haul m²/g DBP-Zahl ASTM D-2414 ml/g
Farbstärke nach DIN 53 204

Gummitechnische Rußeigenschaften Modu! 300 SRB 50 min Heizzeit kp/cm² Zerreißfestigkeit SBR 50 min Heizzeit kp/cm² Abriebswiderstand gegen HAF Standard Modul 300 OE-SBR 20 min Heizzeit kp/cm² Zerreißfestigkeit OE-SBR 20 min Heizzeit kp/cm²

93	93
102	100
1,14	1,15
86	95
178	179
241	271
108	118
70	68
184	200

Auch bei dieser im Vergleich zu Beispiel 1 etwas grobteiligeren Rußtype kristallisieren sich wieder die gleichen Vorteile heraus. Höhere stündliche Rußleistungen, höhere Ölausbeuten bei der Herstellung und bei sonst gleichen analytischen Rußdaten eine erhöhte Farbstärke sind festzustellen. Bei den gummitechnischen Daten sind die höheren Zerreißfestigkeiten und besseren Abri .bswiderstände bei konstantem Modul als Fortschritt festzustellen.

Beispiel

Auch dieses Beispiel soll vergleichend die Vorteile des neuen Verfahrens belegen. Es bezieht sich auf die Herstellung eines Furnacerußtyps mit hoher Oberflächengröße mit der Vorrichtung nach F i g. 2, wie er zur Stabilisierung von Polyäthylenmischungen benutzt wird.

Herkömmliches
Verfahren

Erfindungsgemäßes Verfahren

Querschnittsflächenverhältnis Brennkammereintritt zu Mischkammereintritt

Querschnittsflächenverhältnis Reaktionskammeraustritt zu M ischkammeraustritt

Verhältnis Brennkammerlänge zu Mischkammerlänge Ringkammerlänge, bezogen auf Mischkammerlänge (%) Stellung Rußrohstoffinjektoraustritt Sprühkegel Rußrohstoffzugabe

Eintrittsgeschwindigkeit m/sec Ringkanal

[iinstellbedingungen:

Verbrennungsluftmenge NmVh Zerstäuberluftmenge NVh
Gasmenge NmVh
Rußrohstoffmenge kg/h
Rußproduktion kg/h
Ölausbeute %

Analytische Rußdaten

Jodadsorption ASTM D-1510 mg/g BET-Oberfläche m²/g
DBP-Zahl ml/g
Farbstärke DIN 53 204
Schwarzwert in Leinöl

6,9	19,9
3,3	7,1
1,8	2,6
-	10
in Brennkammer	in Mischkammer
20°	120°
330	790
2800	2900
180	-
230	230
824	774
422	440
52,2	56,8
140	139
131	131
1,05	1,02
87	93
132	137

Der Schwarzwert wird durch Anpasten des zu untersuchenden Rußes in Leinöl und visuellen Vergleich mit Standardpasten ermittelt. Er stellt ein Maß für die Farbtiefe dar. Hohe Schwarzwerte bedeuten hohe Farbtiefen.

Auch hier sind wieder deutliche Vorteile für das

erfindungsgemäße Verfahren zu erkennen. Außer einer höheren stündlichen Rußproduktion und erhöhter ölausbeute sind höhere Farbstärken und höhere Farbtiefen erhielt worden, wie sie für den genannten Anwendungszweck sehr vorteilhaft sind.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wird die Herstellung eines Rußes in der Vorrichtung gemäß F i g. 2 beschrieben, der für den Einsatz in hochwertigen Druckfarben gedacht ist Für dieses Anwendungsgebiet werden Rußqualitäten benötigt, die eine hohe Farbstärke, eine hohe Farbtiefe und ein günstiges Theologisches Verhalten aufweisen. Eine niedrige Verdickung von Druckfarben wird z. B. dann

15 erreicht, wenn Ruße mit niedriger Struktur eingesetzt werden. Als Maß für die Rußstruktur kann die DBP-Zahl angesehen werden. Als Aufgabe stellt sich deshalb die Einstellung eines Rußes mit möglichst niedriger Struktur, was durch Zugabe von Additiven, z. B. Kaliumsalzen, erreicht wird.

Querschnittsflächenverhältnis Brennkammereintritt zu Mischkammereintritt

Querschnittsflächenverhältnis Reaktionskammeraustritt zu Mischkammeraustritt

Verhältnis Brennkammerlänge zu Mischkammerlänge Ringkanallänge, bezogen auf Mischkammerlänge (%) Stellung Rußrohstoffinjektoraustritt

Sprühkegel Rußrohstoffzugabe

Eintrittsgeschwindigkeit Ringkanal m/sec

Einstellbedingungen:

Verbrennungsluftmenge NmVh
Zerstäuberluftmenge NmVh
Gasmenge NmVh
Rußrohstoffmenge kg/h
Additivezusatz (Kaliumchlorid) g/h
Rußproduktion kg/h
Ölausbeute %

Analytische Rußeigenschaften

Jodadsorption ASTM D-1510mg/g
BET-Oberftäche nach Haul mVg
DBF-Zahl ASTM D-2414ml/g
Farbstärke nach DIN 53 204
Schwarzwert in Leinöl
Aschegehalt %

Herkömmliches	Erfindungsgemäßes
Verfahren	Verfahren
6,9	19,9
3,3	7,1
1,8	2,6
-	10
in Brennkammer	in Mischkammer
20°	90°
260	630
2200	2300
250	-
190	190
700	757
1800	700
398	476
56,9	62,8
99	101
91	92
0,51	0,49
96	100
142	148
0,45	0,24

Auch aus diesem Beispiel sind wieder deutliche Vorteile abzulesen:

Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren werden höhere Farbstärken und Schwarzwerte erreicht.
Rußproduktion und ölausbeute sind höher.
Es wird zur Einstellung der gewünschten extrem niedrigen DBP-Zahl (niedrige Struktur) 2'/2mal weniger Additivezusatz benötigt. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil sehr hohe Kaliumgehalte das Brennen von heißen Rußen fördern, wenn sie nach der Produktion erstmalig mit Luft zusammenkommen. Außerdem hebt ein hoher Alkalisalzzusatz in unerwünschter Weise den Aschegehalt an.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Furnaceruß mittels thermischer Spaltung von Rußrohstoff durch Oxydation eines Brennstoffs in einer Brennkammer unter Erzeugung eines Stroms heißer Verbrennungsgase, Einführen dieses Stroms in eine gegenüber der Brennkammer verengte Mischkammer, Einbringen des Rußrohstoffs in die Mischkammer und Überführen des Gemisches in eine gegenüber der Mischkammer erweiterte Reaktionskammer sowie Abschrecken des Ruß enthaltenden Reaktionsgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strom heißer Verbrennungsgase über einen Ringkanal in die Mischkammer oder in eine ringkanalförmige Mischkammer einführt und den Rußrohstoff in der Mischkammer oder im Ringkanal von innen nach außen einsprüht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Geschwindigkeit der heißen Verbrennungsgase beim Eintritt in den Ringkanal der Mischkammer oder in die ringkanalförmige Mischkammer größer als 400 m/sec ist und vorzugsweise zwischen 600 und 850 m/sec beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsprühung des Rußrohstoffs mit einem Sprühwinkel zwischen 45 und 180° erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch κι gekennzeichnet, daß man in der Brennkammer eine Drallströmung erzeugt.

5. Verwendung des Rußes nach den Ansprüchen 1 bis 4 als Kautschuk- und Farbruß.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens j5 nach den Ansprüchen 1 bis 4 mit einer Kammer zur Verbrennung eines Brennstoffs mit einem sauerstoffhaltigen Gas, einer an die Brennkammer anschließenden Engstelle sowie einer gegenüber der Engstelle erweiterten und an diese anschließenden Reaktionskammer, gekennzeichnet durch eine zwischen beiden Kammern angeordnete Mischkammer (2) und einen Ringkanal (3) oder eine ringkanalförmige Mischkammer und eine in der Mischkammer bzw. in dem Ringkanal oder in einer ringkanalförmi- « gen Mischkammer angebrachte Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung (5) mit von innen nach außen gerichteten Austritten (6).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung in der Mittelachse der Mischkammer angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringkanal von dem Innenmantel der Mischkammer (2) und dem Außenmantel der Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung (5) oder eines Verdrängungskörpers von gegenüber dem Mischkammerdurchmesser kleinerem Durchmesser bzw. von Abschnitten der genannten Mäntel gebildet wird.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine durch die Reaktorstirnwand geführte und entlang der gemeinsamen Mittelachse der Kammern (1), (2), (4) verschieblich gelagerte Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung mit endständigen, von der Mittelachse her nach außen gerichteten Austritten unter Ausbildung eines Ringkanals variabler Länge in die

Mischkammer hinein erstreckt

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen gerichteten Austritte im Außenmantel einer in einer ringkanalförmigen Mischkammer angeordneten Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, daduich gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der ringkanalförmigen Mischkammer (2) gleich oder größer als die Querschnittsfläche des Ringkanals (3) ist.

12. Vorrichtung nach Ansprüchen 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsflächenverhältnis zwischen Brennkammereintritt und Mischkammereintritt mindestens 7 zu 1, vorzugsweise 7 bis 50 zul, beträgt.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsflächenverhältnis zwischen Reaktionskammeraustritt und Mischkammeraustritt zwischen 4 bis 10 zu 1 beträgt

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß die Austritte der Rußrohstoffzerstäubungseinrichtung einen Sprühwinkel zwischen 45 und 180° bilden.