DE2729400A1

DE2729400A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von russ

Info

Publication number: DE2729400A1
Application number: DE19772729400
Authority: DE
Inventors: Oliver Kenneth Austin
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1976-06-29
Filing date: 1977-06-29
Publication date: 1978-01-05
Also published as: JPS533990A; FR2356701A1; TR19629A; JPS5527112B2; GB1582196A; BR7704035A; AU500325B2; IT1075846B; IN144990B; FR2356701B1; DE2729400C3; ES460229A1; DE2729400B2; ZA773432B; AU2594077A; DE7720439U1; SE7707439L; US4134966A; MX146066A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Ruß

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Ruß, bei welchem insbesondere größere Ausbeuten von Ruß aus einem Reaktor bzw. einem Ofen bei der Herstellung erzielt werden sollen, der mit Brennöl oder Gas gespeist wird.

Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Ausbildung eines länglichen Rußherstellungsofens, der an einem Ende eine Vorverbrennungszone aufweist, in welche doppelt zwei separate unabhängige Materialströme aus Verbrennungsgasen oder Stoffen zur Erzeugung von Verbrennungsgasen, die unterschiedliche

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Temperaturen und/oder Zusammensetzungen aufweisen, mit Hilfe von Einrichtungen am Umfang oder außen und nicht am Umfang oder Inneneinlässe, Rohre oder Einlasse ganz allgemein eingespeist werden, wobei ein Schutzschleier aus relativ kühlem Gas in der Nähe der Wandungen der Vorverbrennungszone oder des Reaktors erzeugt wird, während gleichzeitig mit Hilfe eines solchen Schutzschleiers aus Heißgasen die Einführung oder in situ Herstellung von relativ wesentlich heißeren Verbrennungsgasen ermöglicht werden soll, welche ein solches Luft-Brennstoff gemisch verhältnis aufweisen, daß das als Ausgangsmaterial dienede Öl oder Gas, aus welchem der Ruß hergestellt werden soll, schlagartig einer extrem hohen Temperatur ausgesetzt werden und ein sofort verfügbarer Wärmeinhalt vorhanden ist, so daß höhere Ausbeuten an Ruß aus dem Ausgangsmaterial, wie öl oder Gas, erzielbar sind, während die Ofenkonstruktion und deren Aufbau geschützt ist.

Vorzugsweise befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Herstellen von Ruß sowie zum Betreiben einer Vorrichtung, wie ein Reaktor, Ofen oder dergl., zur Herstellung von Ruß, bei welchem in die Vorverbrennungszone zur Bildung eines Schutzschleiers am Umfang und in der Nähe der Wandungen ein relativ kälteres Verbrennungsgas, das in situ erzeugt werden kann, eingespritzt wird, während in das längs des Umfangs verteilte Gas ein wesentlich heißeres Gas mit einem Luft-Brennstoffverhältnis und einem Wärmeinhalt derart eingespritzt wird, daß bei entsprechenden Mengenverhältnissen das Ausgangsmaterial, wie öl oder Gas, bei höheren Ausbeuten in Ruß umgewandelt wird. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Ausbildung einer Vorverbrennungs zone.

In der US-PS 3 431 075 sind die Grundlagen des Rußherstellungsverfahrens beschrieben, bei welchem mehrere Ströme heißer Verbrennungsgase, die man von der Verbrennung von brennbaren Mischungen aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger erhält, in eine ungefähr zylinderförmig aus-

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gebildete erste Zone eingespeist werden, deren Durchmesser größer als ihre Länge ist, ein Ausgangsmaterial aus Kohlenwasserstoff längs der Längsachse der ersten Zone eingespeist wird, die von einem sich bewegenden Schutzschleier aus einem heißen Verbrennungsgas umgeben ist, das Ausgangsmaterial in eine axial ausgerichtete, nahezu zylinderförmig ausgebildete zweite Zone gelangt, deren Länge größer als ihr Durchmesser ist, und bei dem das Rußerzeugnis aus dem gasförmigen Abstrom ' aus der zweiten Zone erzeugt wird. Gemäß dieser Patentschrift wird vorgeschlagen, wenigstens einen der Ströme heißer Gase dadurch zu erzeugen, daß eine brennbare Mischung aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger verbrannt wird, welche den Sauerstoffträger in einer Menge enthält, die kleiner als die stöchiometrische Menge zum Verbrennen des Brennstoffes ist, und daß wenigstens ein weiterer Strom heißer Verbrennungsgase dadurch erzeugt wird, daß eine brennbare Mischung aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger verbrannt wird, die den Sauerstoffträger in einer Menge enthält, die größer als die stöchiometrische Menge zum Verbrennen des Brennstoffes ist.

In der US-PS 3 ^31 075 wird vorgeschlagen, als Ausgangsmaterial bestimmtes Öl über ein Rohr 15 in die Zone 13 einzuleiten. Ebenfalls wird in die Zone 13 mit Hilfe von Leitungen 17 und 17* ein Gemisch aus Luft und Brennstoff eingespeist. Die Leitungen sind in dieser Patentschrift als tangentiale Einlaßdurchlässe ausgebildet. Ebenfalls wird in die Zone 13 über Leitungen 18 und 18' ein Luft-Brennstoffgemisch radial eingespeist. Die Luft-BrennstoffVerhältnisse des bei 17 und 17' tangential eingespeisten und des bei 18 und 18' radial eingespeisten Gemisches sollen vorzugsweise unterschiedlich sein.

In der Patentschrift ist weiterhin beschrieben, daß sich die Ausbeute an Ruß dadurch verbessern läßt, daß man in die Zone 13, die als erste Zone bezeichnet ist, wenigstens einen Strom

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heißer Verbrennungsgase einleitet, die man durch Verbrennen eines brennbaren Gemisches aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger erhält, dessen Menge an Sauerstoffträger kleiner als die zur Verbrennung des Brennstoffes erforderliche stöchiometrische Menge ist, und daß man in diese erste Zone wenigstens einen weiteren Strom heißer Verbrennungsgase einleitet, welchen man durch Verbrennen eines brennbaren Gemisches aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einem Sauerstoffträger erhält, dessen Menge an Sauerstoffträger größer als die zur Verbrennung des Brennstoffs erforderliche stöchiometrische Menge ist. Bei einer solchen Betriebsweise ergibt sich die Bildung einer neuen Verbrennungs- und Wärmefreisetzungszone, die in der ersten Zone stromab von den Einleitungsstellen der heißen Verbrennungsgase und in der Umgebung des axialen Strömungsweges des als Ausgangsmaterial bestimmten Kohlenwasserstoffes bildet. Die neue Verbrennungsund Wärmefreisetzzone bildet sich dann, wenn die heißen Verbrennungsgase, die überschüssigen Brennstoff enthalten, in Berührung mit den heißen Verbrennungsgasen kommen, die den Sauerstoff träger in einer überschüssigen Menge enthalten, so daß der überschüssige Brennstoff verbrannt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch die Einspeisung in doppelter Form Ströme eingeleitet, die bei der Einleitung nahezu parallel sind. Einer der Ströme, welcher durch den äußeren Einlaß eintritt, neigt dazu, in der Umgebung der Wandung der Vorverbrennungszone zu strömen, während der andere Strom dazu neigt, von der Wandung durch den ersten eingeleiteten, nun in Umfangsrichtung verlaufenden Strom abgedeckt zu werden.

Während die Luft-Brennstoffverhältnisse der doppelt eingespeisten Ströme gemäß der Erfindung vorzugsweise und insbesondere unterschiedlich sein können, ist das Luft-Brennstoffverhältnis des inneren Stromes so gewählt, daß sofort bei der Berührung mit dem Ausgangsmaterial, wie öl oder Gas, die optimale

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Rußumwandlungstemperatur und die hierfür erforderliche Wärmemenge vorhanden sind. Dies erzielt man gleichzeitig mit einem Schutz der Wandungen der Vorverbrennungszone, die hochstandfeste Teile, wie z.B. einen oberen Überhang, enthält, die zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem tangentialen Durchlaß und der Vorverbrennungskammer des an sich bekannten Ofens erforderlich sind.

Die Erfindung zielt darauf ab, einen Rußerzeugungsreaktor so auszubilden und zu betreiben, daß die Reaktorwandung geschützt wird, während gleichzeitig die optimale Temperatur und Wärmemenge in den Verbrennungsgasen zur Erzeugung von Ruß vorhanden sind, welche auf das als Ausgangsmaterial bestimmte Öl oder Gas direkt ohne eine beträchtliche Vermischung mit irgendwelchen anderen Luft-Brennstoffmassen trifft.

Erfindungsgeraäß zeichnet sich ein länglicher Rußherstellungsofen mit einer axialen Einspeisung von Kohlenwasserstoff, Öl oder Gas zur Einleitung von in Ruß umzuwandelnden Kohlenwasserstoff an einem Ende und einer Einrichtung am anderen Ende, über welche die Gase und der erzeugte Ruß abgezogen werden kann, die an dem einen Ende des länglichen Durchlasses angeordnet ist und mit einer größeren Zone heißer Verbrennungsgase in axialer Verlängerung der Längsachse des Durchlasses, wobei diese Zone eine Querschnittsfläche besitzt, die größer als der Hauptteil des Durchlasses ist und mit einer Einrichtung zum Einspeisen heißer Verbrennungsgase in diese Zone, dadurch aus, daß wenigstens zwei Zuströme heißer Verbrennungsgase vorgesehen sind, die bezüglich der Längsachse des Durchlasses ineinanderliegen, und daß Einrichtungen für jede Zuleitung eines Verbrennungsstromes vorgesehen sind, welche das Verbrennungsgas von jedem Zustrom in die Zone, unabhängig von dem anderen derart einspeist, daß unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten der Verbrennungsgase verschiedener Temperaturen und/oder Zusammensetzung gleichzeitig bei der Einleitung in diese Zone

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erzielt werden, wobei ein Schutzschleier aus Verbrennungsgasen sich in der Nähe des Umfangs oder der Wandung dieser Zone bildet und eine relativ heißere innere Schicht aus Verbrennungsgasen von dem Schutzschleier eingeschlossen wird, so daß das zu Ruß umzuwandelnde Öl Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, die heißer als gewöhnlich sind, währenddem über eine ausreichende Weglänge der Schutzschleier um die inneren, heißer als die üblichen Verbrennungsgase längs der Längsachse des Durchlasses aufrechterhalten wird, so daß mehr Ruß aus dem Öl als bisher ausgebeutet wird, ohne diese Gasverbrennungszone zu beschädigen oder zu beeinträchtigen.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren geschaffen, bei welchem zum Betreiben der Vorrichtung durch die Innenseite oder den inneren Zustrom eines heißen Verbrennungsgases, das bei der Berührung mit dem als Ausgangsmaterial bestimmten Öl oder Gas eine optimale Temperatur erzeugt, schlagartig eine ausreichende und notwendige Wärmemenge bei einer optimalen Temperatur zum Erzeugen vergrößerter Ausbeuten an Ruß verfügbar ist.

Vorzugsweise umfaßt der Aufbau einer Vorverbrennungszone erfindungsgemäß geformte Keramikteile, wodurch der Aufbau, die Betriebsweise und die Wartung vereinfacht werden, und insbesondere umfaßt der Aufbau quadratisch ausgeformte Teile, in denen Zylinder (Kreisöffnungen) ausgeformt oder vorgesehen sein können, um eine tangentiale Einleitung zu erzielen, und diese Formteile sind so ausgebildet, daß sich in einem Quadranten quadratische Tangentialeinlässe für die Heißgase bilden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung an bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Vertikalschnittansicht durch die Achse eines Rußreaktors gemäß der Erfindung;

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Fig. 2 ist eine Vertikalschnittansicht senkrecht zu der Längsachse des Reaktors längs der Schnittlinie 2-2;

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht einer Vorverbrennungskammer eines Rußreaktors gemäß der Erfindung längs der Schnittlinie 3-3 in Fig. 4, wobei in Fig. 1 die Anordnung der einfach geformten, leicht zusammensetzbaren und vorgeformten keramischen Formstücke für die Konstruktion der Vorrichtung gezeigt sind; und

Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Rußreaktors gemäß der Erfindung durch die Längsachse desselben.

Unter Bezugnahme auf die Figuren wird Ausgangsöl bei 3 eingespeist und in die Vorverbrennungszone oder heiße Zone 4 über Düsen 5 eingespritzt. Das Ölzufuhrrohr wird auf an sich bekannte Art und V/eise durch die axiale Einleitung von Luft bei 2 gekühlt.

Erfindungsgemäß sind Rohre, Öffnungen oder Einlasse 6 und 7 zum Einspeisen eines Luft-Brennstoffgemisches zur Gaserzeugung vorgesehen, wobei bei der dargestellten Ausführungsform diese Einlasse 6 und 7 nebeneinander und ungefähr parallel zueinander angeordnet sind. Entsprechende Öffnungen oder Einlasse 6¹ und 7¹ sind vorgesehen, die bei der dargestellten Ausführungsform ebenfalls zueinander und parallel zu den Einlassen 6 und 7 angeordnet sind. Obgleich die Erfindung auch mit einem Satz von doppelten Einspeiseinlässen, wie z.B. 6 und 7, ausgeführt werden kann, sind vorzugsweise wenigstens zwei gegenüberliegende Sätze solcher Einlasse vorgesehen, wie dies bei 6 und 7 einerseits und bei 6¹ und 7' andererseits dargestellt ist. In der Vorverbrennungszone 4 wird eine äußere Schicht aus Verbrennungsgasen erzeugt, die sich in Umfangsrichtung längs der Wandungen der Zone 4 bewegen, sowie ein innerer Massenstrom aus Heißgasen, die von den Wandungen wenigstens eine Zeitlang abgeschirmt sind. Das eingespeiste Öl wird sofort und intensiv in Berührung mit den heißen Verbrennungsgasen gebracht, die bei

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7 und 7* eingeleitet werden. Erfindungsgemäß weisen diese Gase eine Wärmemenge bei einer Temperatur und einem Luft-Brennstoffverhältnis auf, die derart aufeinander abgestimmt sind, daß eine optimale Wärmemenge zur Erzeugung von Ruß aus dem als Ausgangsmaterial bestimmten Öl oder Gas verfügbar ist.

Obgleich die Einlasse 6 und 7 einerseits und 6¹ und 7¹ andererseits, wie in Fig. 1 gezeigt, überwiegend in einer vertikalen . Ebene senkrecht zu der Längsachse des Reaktors liegen, können diese Einlasse auch verschieden angeordnet sein. Ausschlaggebend ist jedoch, daß die Einlasse in Hinblick auf die Temperaturen der entsprechenden Gasströme der Mengenverhältnisse und des Wärmeinhalts oder der Wärmeabgabeleistung derart angeordnet sind, daß das Öl schlagartig vermischt und einem heißen Gasstrom ausgesetzt wird, der zur Erzeugung optimaler Ausbeuten bemessen ist, ohne den Schutz der Brennkammer zu beeinträchtigen, da dieser Heißgasstrom von relativ kälteren und weniger agressiven heißen Verbrennungsgasen abgeschirmt ist, die bei 6 und 6¹ eintreten.

Der restliche Teil des Reaktors kann auf an sich bekannte Art und Weise aufgebaut und ausgebildet sein, und bei der dargestellten Ausführungsform passieren die Gesamtheit der Gase und alle unvollständig umgewandelten Teile des als Ausgangsmaterial bestimmten Öls oder Gases eine venturiförmig ausgebildete Zone 9» die in dem länglichen Abschnitt 10 des Reaktors liegt. Bei 11 werden die Gase, die nunmehr den zu erzeugenden Ruß enthalten, abgeschreckt, die dann zu der an sich bekannten Rückgewinnung von Ruß weitergeleitet werden, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher beschrieben ist.

In den Fig. 3 und 4 sind vorgefertigte keramische Teile A,B,C, D,E und F gezeigt, die zur Erstellung der Vorverbrennungskammer des Rußrekators bestimmt sind, bei welchem man die Meßwerte bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 6 erhält.

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Das Kerarnikteil A ist ein Zylinderstück, das in dem stromaufwärtigen Ende des tangentialen Einlasses B fest angebracht ist. Der tangentiale Einlaß B ist im Querschnitt ungefähr quadratisch und länglich. Luft und Brennstoff oder heiße Verbrennungsgase treten in die Vorverbrennungszone über die tangentialen Einlasse ein, die von den Keramikteilen A und B gebildet werden. Hierfür sind nur vier Teile A und vier Teile B erforderlich.

Die Keramikteile C und D bilden die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Flächen der Vorverbrennungszone. Bei dieser Ausführungsform sind insgesamt vier Teile C und vier Teile D vorgesehen. Jedes dieser vier Elemente C v/eist die Form eines Viertelkreises auf, wobei eine Kante ausgenommen ist, um einen freien Querschnitt eines kleinere Vierteilkreises zu bilden. Jedes der vier Teile D ist ungefähr quadratisch ausgebildet, wobei eine Seite ausgenommen ist, um einen freien Querschnitt eines kleineren Viertelkreises zu bilden.

Um die Vorverbrennungskammer, bestehend aus stromaufwärtigen und stromabwärtigen Flächen mit den Teilen C (jeweils zwei) und D (jeweils zwei) an jeder Seite zu umschließen, sind Keramikteile E und F vorgesehen. Hierzu sind zwei Teile E und zwei Teile F, wie dargestellt, bestimmt. Jedes Teil E ist ungefähr geradlinig und jedes Teil F ist so gekrümmt ausgebildet, daß es sich an die Krümmung der Teile C anpassen kann.

An sich bekannter feuerfester Mörtel bzw. Feuerzement wird zur Zusammensetzung der Teile der Vorrichtung verwendet. Jede Seite weist zwei Teile jeweils von C und D auf, und die beiden Seiten sind durch Teile jeweils von E und F (siehe Fig. 3 und 4) miteinander verbunden. Die tangentialen Einlasse B stoßen an die Verbrennungskammer bei den Teilen D, wie gezeigt, an.

Die freien vierteilkreisförmigen Querschnitte der Teile C und

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D sind so bemessen, daß sie um das keramische Zylinderanpaßstück I passen, welches einen Keramikeinsatz J an der stromaufwärtigen Seite besitzt, durch welchen Luft in axialer Richtung strömt und in welchen die Ölzuleitung eingesetzt ist auch um das Reaktorteil G an der stroinabwärtigen Seite der Vorverbrennungskainmer paßt. Wie in Fig. 4 gezeigt, wird der Reaktoreinlaß von zwei Abschnitten G und H in Form eines venturiförmig ausgebildeten Abschnittes gebildet. Zusätzliche zylindrische Keramikteile sind stromabwärts vorgesehen. Der venturiförmige Abschnitt ist fakultativ. Dies bedeutet, daß zylindrisch ausgebildete Keramikteile für die gesamte Reaktionszone verwendet werden können.

Die Teile B,C,D,E,F,G und H sind an den angrenzenden Abschnitten zur Bildung einer Überlappungsverbindung ausgenommen, die mit Hilfe von Fouerzement gebildet wird. Diese Überlappungsverbindung ist in den Figuren gezeigt. Dieses Merkmal stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar. Die Teile können jedoch auch Kante an Kante mit ebenen Verbindungskanten aneinanderstoßen.

als bevorzugtes Öl wird ein aromatisches Konzentratöl verwendet, das man beispielsweise bei der Lösungsmittelextraktion von gecracktem Leichtöl und zyklischem Schweröl erhält, das bei katalytischer Crackung von Reingasölen und/oder Rückstandölen, wie z.B. Öle als Rückstand der ersten Destillation, anfällt. Ein bevorzugtes Öl ist mif'SO« Extrakt" bezeichnet, das man bei einer"Flussig-Flussig^SOp-Losungsmittelextraktion dieser gecrackten zyklischen Öle erhält. Ein"SOp Extraktöl" wurde bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet. Es besaß einen Bureau of Mines Correlation Index (BMCI) von 100 und eine Siedegrenze von 260 bis 427°C (500 bis 800⁰F).

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung derartiger aromatischer Konzentrate als Ausgangsöl beschränkt. Andere Öle, wie z.B. Kerosin, Kohlenwasserstoffe mit Benzinsiedegrenze, leichte

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oder schwere Naphthas oder schwerere Öle als rezyklierte Öle können verwendet werden. Selbst Naturgas oder Erdgas kann verwendet werden, außerdem Propan, Buban, Pentan und dergl. Kohlenwasserstoffe aus anderen Quellen als Petroleum können verwendet werden, wie z.B. Kohlengas bzw. Leuchtgas mit niedriger Temperatur, Kohle, Teerdestillate, Schieferdestillate, schwere Kohlenrückstände und ähnliches.

Das Öl kann als Dampf oder als Flüssigkeit oder auch als ein Geraisch zugegeben werden. Dampf. Luft, vergaster Brennstoff und dergl. können zur Unterstützung der Vergasung eines flüssigen eingeleiteten Mediums verwendet werden, ebenfalls Doppelfluiddüsen.

Die Öleinspritzr.te.lle, wie z.B. die Düsenlage, kann stromaufwärts von der stromaufwärtigen Seite der Vorverbrennungskammer (PCC) verlegt werden, kann an der stromaufwärtsseitigen Fläche von PCC liegen oder auch innerhalb von PCC, ja sogar selbst innerhalb des konvergierenden Abschnittes eines Venturireaktors, wenn ein venturiförmig ausgebildeter Abschnitt vorgesehen ist.

Meist wird Kühlluft oder Luft zur Verhinderung von Koksbildung in den Düsen kreisringförmig um das Ölzuleitungsrohr eingeleitet.

Erfindungsgemäß von Bedeutung ist die Tatsache, daß die doppelten Schichten aus Verbrennungsgas mit unterschiedlichen Temperaturen derart angeordnet sind, daß eine Kontaktierung mit dem Kohlenwasserstoff oder dem als Ausgangsmaterial bestimmten Öl oder Gas mit einem Verbrennungsgas, das wesentlich heißer als gewöhnlich ist, sehr schnell, wenn nicht schlagartig ermöglicht wird und das Ausgangsmaterial in sehr feine Teilchen oder Teile von Kohlenwasserstoffen zerfällt, die in Ruß bei minimalen Nebenreaktionen umgewandelt werden, wobei die Nebenreaktionen nicht zu dem erzeugten Ruß beitragen.

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Jeder Brennstoff kann mit Luft oder Sauerstoff angereicherter Luft zur Bildung heißer Verbrennungsgase verbrannt werden. Diese heißen Verbrennungsgase werden in den tangentialen Durchlässen stromab von der Vorverbrennungskammer oder am Eintritt in die Kammer gebildet.

Ein Naturgas (hauptsächlich Methan) mit einem Heizwert von ungefähr 8899 Cal/m^ (1000 Btu per standard cubic foot) wurde als Brennstoff bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung eingesetzt.

Bei der Verwendung von Methan als Brennstoff beträgt ein stöchiometrisches Verhältnis von Luft zu Brennstoff 10, was man aus der folgenden Gleichung erhält:

1 10 (air)
CH₄ + 2O₂ + 8N₂ > CO₂ + 2H₂O + 8N₂.

Diese Gleichung zeigt den stöchiometrischen Zusammenhang von Luft und Methan zur Gewinnung con CO₂ und HpO als Verbrennungsprodukte bei der Verbrennung von CH^ auf. Dieses stöchiometrische Verhältnis beträgt 100%.

Wenn das Luft/Brennstoffverhältnis 15/1 (z.B. Volumeneinheiten) beträgt, so läuft die Reaktion "150% stöchiometrisch" ab oder 50% überschüssige Luft fällt an.

Bei hoher stöchiometrischer Verbrennung, wie z.B. bei 150%, werden kältere Verbrennungsgase als bei einer Verbrennung beispielsweise bei 100% erzeugt, da bei 150%iger stöchiometrischer Verbrennung der Anteil von 50% der überschüssigen Luft ebenfalls erwärmt werden muß, was zu einem geringeren Temperaturanstieg im Vergleich zu der Verbrennung mit weniger überschüssiger oder gar keiner überschüssigen Luft führt.

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Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor ist eine längliche,zylindrische Vorverbrennungskammer (PCC) vorgesehen, in welche Öl am stromaufwärtigen Ende axial eingespeist wird, und die Reaktionszone steht in offener Verbindung mit dem stromabwärtigen Ende der Vorverbrennungskammer. Heiße Verbrennungsgase werden tangential am Umfang der Vorverbrennungskammer eingespeist. Meist sind zwei tangentiale doppelte Einlasse bei 180° oder in Durchmesserlage der Vorverbrennungskammer angeordnet. Es kann auch ein doppelter Einlaß verwendet werden, ebenfalls können auch mehr als zwei doppelte tangentiale Einlasse für heiße Verbrennungsgase verwendet werden, die vorzugsweise gleichmäßig um die zylinderförmig ausgebildete Vorverbrennungszone verteilt angeordnet sind.

Bei dem in der Erfindung beschriebenen Ausführungsbeispiel sind zwei (um 180° versetzte) tangentiale Einlasse vorgesehen. Diese sind übereinanderliegend angeordnet, d.h. es sind zwei tangentiale Einlaßeinrichtungen an jeder tangentialen Einlaßzone oder jedem tangentialen Einlaßabschnitt vorgesehen.

Der äußere tangentiale Einlaß (dessen Mittelachse durch die Reaktorachse gebildet wird) lag in einem Abstand von einem größeren Radius als der innere tangentiale Einlaß. Die heißen Verbrennungsgase unterschiedlicher Mengen und Qualitäten werden über äußere und innere tangentiale Einlasse eingespeist. Das äußere tangentiale Verbrennungsgas war luftreicher als das innere tangentiale Verbrennungsgas. Hierdurch können die heißen Verbrennungsgase im äußeren Einlaß relativ kühler in Berührung mit dem feuerfesten Material der Vorverbrennungskammer kommen, so daß keine Gefahr einer Überhitzung des feuerfesten Materials besteht. Dieser äußere tangentiale Strom bildet eine Wirbelströmung in der Vorverbrennungskammer. Die inneren tangentialen Verbrennungsgase sind weniger luftreich und weisen somit eine höhere Temperatur auf und sind von der äußeren Wirbelströmung umgeben (die inneren Gase kommen somit nicht in Berührung mit

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dem feuerfesten Material). Das Ausgangsöl tritt in die inneren heißen Verbrennungsgase unter Bildung einer Wirbelströmung ein und werden sofort bzw. schlagartig kräftig iriit den relativ heißen Gasen kontaktiert.

Eine größere Menge an Verbrennungsgasen wurde über den äußeren tangentialen Einlaß als über den inneren tangentialen Einlaß eingeleitet.

Beispiel

Das Bezugsbeispiel wurde in einem Reaktor ausgeführt, dessen Kenndaten in der nachstehenden Tabelle aufgeführt sind. Hierbei wurde dieser mit einem Venturiabschnitt versehene Reaktor wie bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel verwendet mit der Ausnahme, daß die Vorverbrennungszone nur einen (größeren) tangentialen Einlaß unter Verwendung zweier derartiger einrohriger Einlasse um 180° versetzt in der gleich groß bemessenen Vorverbrennungszone aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungßbeispiel sind Doppelrohreinlässe vorgesehen, wobei jedes Rohr etwas kleiner als in der Tabelle angegeben bemessen war.

In der nachstehenden Tabelle sind die Werte zur Herstellung von N33O (HAF) Ofenruß aufgeführt. N330 ist die geläufige ASTM Bezeichnung für HAF (stark abtragender Ofenruß),mit der früheren Bezeichnung Philblack R 0 im Handel erhältlich. Die Teilchengröße in πιμ für N330 liegt bei 26 bis 30, wie an sich bekannt.

Die Werte in der Tabelle sind Vergleichsdaten. Ungefähr die gleichen Luftgeschwindigkeiten, Geschwindigkeiten des Brennstoffgases (Methan) und Geschwindigkeiten des Öles sind gezeigt. Bei der Erfindung wird eine größere Ausbeute (g Ruß/l Ausgangsöl (pounds carbon black/gallon charge oil) erzielt, als in der letzten Zeile der Tabelle aufgeführt.

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nachträglich geändert

*w—^

na-''■■;-»■■ '·, -\ jh

Reaktordi.minsion:

St;	Vorverbrennunf^szone:	ind d.Technik	Erfindung:	68	I	6	(in.)
	Länge	cm (in.)	cm	68
Durchmesser			96	( 8)
Durchmesser tangent.ialer	30 (12)	20		(37)
(a) Einzelne Leitung	99 (39)	9A
(a) Äußere Einlaß leitung	Einlaß:
(a) Innere Einlaß leitung	SC 4r?5-(11-13/i6)			(7-3/A)
Gesamte Einlaßflä che/Einheit in		19,	(7-3/A)
Kreisdurchmesser	_— .·_	19,	(9A)
Venturiförmißjer Abschnitt	710 (110)	606	( 3)
Länge	7,6 ( 3)	7,
Einlaßdurchmesser			(27-15/
Auslaßdurchmesser	70,96 (27-15/16)	70,	(15)
(b) Halsdurchmesser	38 (15)	38	(15)
Reaktorabschnitt:	38 (15)	38	( 8)
20 ( 8)	20

Durchmesser

Länge (bis Abschreckstelle)

38

(15)

38

(15)

(ungefähr 80 Photelometer)

(a) Die Einlaßgeschwindigkeiten waren bei allen Beispielen verschieden.

(b) Der Halsabschnitt liegt auf der Hälfte zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des venturiförmigen Abschnittes.

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Bei den Ausführungsbeispielen für die Erfindung sind die äußeren und inneren Einläße für das heiße Verbrennungsgas in ungefährer Ausrichtung in einer Ebene senkrecht zur Achse des länglichen Ofens angeordnet, Jedoch können im Rahmen der Erfindung auch Doppelrohreinlässe mit unterschiedlichen Längen derart angeordnet sein, daß sich ein äußerer Schutzschleier bildet und innen heißere Gasmassen enthalten sind. So gesehen brauchen die äußeren, relativ kühleren Gasschleier an den Wandungen der Vorverbrennungskaramer im Hinblick auf die Rohre oder Einlasse nicht gleichmäßig zu sein, noch müssen sie in genauer Ausrichtung liegen. Der äußere Einlaß kann etwas davor oder dahinter, d.h. stromaufwärts oder stromabwärts des inneren Einlasses oder des inneren Einlaßrohres oder umgekehrt angeordnet sein. Jeder Einlaß kann selbst bei der Verwendung von mehreren inneren und mehreren äußeren Einlassen auf die unterschiedlichste Art und Weise angeordnet sein. Die Düse 5 liegt an der stromaufwärtigen Seite der Vorverbrennungszone bei allen vier Beispielen.

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Werte bei Herstellung von N55O Ruß

Betrieb

Gesamtluft, SCF/hr.
äuß.tang.Einlaß, SCF/hr in.tang.Einlaß, SCF/hr axiale Luft, SCF/hr

Vergleichsbeisp

206 672

198 773

7 899

tan^entialer Brennstoff

(Naturgas), SCF/hr
äußerer Brennstoff. SCF/hr innerer Brennstoff, SCF/hr

Volumenverhältnis tang.Luft/tang.Gas

äußeres Verhältnis

inneres Verhältnis
VoI.Verh.Gesamtluft/Gas

Vorerwärmung d.Luft,⁰C(⁰F) axiale Ölgeschw.,l/h (GPH) Verhältnis Gesamtluft/Öl m3/l (SCF/gallon)

623

Z* Rußerzeugnis

Photoelometer Wert %

I₉No. , jn²/g

N*SA, mf/g

CTAB, m2/g

24M4, DBP, cc/100 g Farbwert

Ausbeute g/l öl (/CB/gal.)

^23 O

14,6

15,2

425 (797) 1249(330)

4,68(626)

85

88

96

98 102 110

476 (3798) erfindungsgem.Beispiele 3 4

m³/h

779

962

642

175

124
982
142

343

330

995

4 011

14 158
8 034
6 124

204 407

120 240

80 160

4 007

14 124 7 982 6 124

5b29

224

82

2284 118

400

15,1 15,0

13,1 13,2

14,6 14,5

(785) 426 (798)

(325) 1249(330)

4,74 (633) 4,66(622)

82

96,

97,1

,3
,5

5)

98
100

502
(4720)

386 3öb

0

5816 5788

3403 3405

2294 2270

114

400 3_9_

227

173

15,1 13,1 14,5

427 (800) 1249(330)

4,63(619)

78 95,1

94,5

96

100,4 11!

ro co

Verwendete Testmethoden;

(1) ASTM-D-1618-58T

(2) ASTM-D-1510-70

(3) ASTM-D-3O37-71T, Methode A

(4) J.Janzen und G.Kraus, Rubber Chemical and Technology, 44. 1287 (1971)

(5) U.S. 3 548 454, geraessen nach Zerkleinerung durch Methode B, ASTM-D-2414-70

(6) ASTM-D-3265-75

Wie erwähnt wurde als Öl ein SO₂ Extraktöl mit Bureau of Mines Correlation Index (BMCI) von 100, Siedebereich von 260 bis 427°C (500 bis 800⁰F) verwendet. Das Öl blieb bei allen Beispielen in der Tabelle gleich.

Das Verhältnis von Gesamtluft zu Öl war bei dem Vergloichsbeispiel (1) und den drei Beispielen gemäß der Erfindung (2), (3) und (4)ungefähr gleich. Die Ausbeute beim Vergleichsbeispiel (1) war relativ niedrig, während die Ausbeuten bei den Beispielen gemäß der Erfindung (2), (3) und (4) größer waren. Die Farbwerte sind bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen geringfügig höher.

Die StickstoffOberflächenbereiche und CTAB-Werte (Teilchengröße) waren ungefähr gleich (nur beim Beispiel 2 liegen diese Werte geringfügig höher als bei den anderen Beispielen), und die 24M4 Werte waren ungefähr bei allen Beispielen die gleichen. Es handelt sich somit also um die gleiche Qualität und die gleiche Art von Ruß bei allen vier Beispielen, um die Ausbeuten unmittelbar vergleichen zu können.

Das stöchiometrische Verhältnis von Luft zu Naturgar (ungefähr 28 cnrVh bzw. 1 000 Btu/SCF) beläuft sich auf 10 bis 1. Ein Verhältnis von 15 bis 1 bedeutet 50% überschüssige Luft oder 150% der stochiometrischen Menge. Das Naturgas besteht über-

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wiegend aus Methan. (V/enn Brennstoff Propan ist, beträgt das stöchiornetrische Verhältnis 25/1 von Luft zu Propan).

Obgleich die Abmessungen und die spezielle Ausgestaltung des Reaktors gemäß der Erfindung eingehend erörtert worden sind, sind entsprechende Abänderungen bezüglich des Aufbaus, der Auslegung und der relativen Abmessungen und Gestaltungsformen möglich, wenn wenigstens eine Doppeleinlaßeinrichtung oder eine ähnliche Einrichtung vorgesehen ist, um innerhalb der Vorverbrennungszonen einen Schutzschleier zu bilden, der die Vorrichtung gegen die äußerst heißen Gase abschirret, die unabhängig in die Vorrichtung eingebracht werden können, und zwar in Größen und Mengen, daß man von dem gewünschten herzustellenden Ruß eine optimale Ausbeute erhalten kann.

Die Stelle, an welcher die Düse mündet und an der das Ausgangsöl oder das Ausgangsgas in die Vorverbrennungskammer eintritt, kann unterschiedlich sein. Dvirch die Veränderung des genauen Berührungspunktes von den Heißgasen mit dem Ausgangsöl oder Ausgangsgas führt bekanntlich zu verschiedenen Ergebnissen. Für jede Art des Ausgangsmaterials und jedes Luft-Brennstoffverhältnis können unterschiedlich aufgebaute Ausführungsfor- men vorgesehen sein, die zu optimalen Ergebnissen führen.

Da der äußere Durchlaß oder Einlaß bei einem Luft/Brennstoffverhältnis betrieben wird, das größer als das stöchiometrische Verhältnis ist, und der innere Durchlaß bei einem Verhältnis von Luft/Brennstoff betrieben wird, welches kleiner als das stöchiometrische Verhältnis ist, wobei bei beiden vorgewärmte Luft verwendet wird, kann die axiale Öleinlaßdüse in der Vorverbrennungszone in geschützter Form an einer Stelle näher am Eintritt in den venturiförmigen Abschnitt angeordnet sein, um einen größeren Farbwert zu erzielen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen von Ruß, bei welchem ein flüssiges oder gasförmiges Kohlenwasserstoffausgangsmaterial ungefähr axial an einem Ende eines länglichen Durchlasses eines Rußofens eingespeist wird, in Umfangsrichtung in den Durchlaß in der Nähe des Endes heißes Verbrennungsgas eingeleitet wird und der im Ofen erzeugte Ruß vom anderen Ende des länglichen Durchlasses abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ungefähr in Umfangsrichtung in dem einen Ende des länglichen Durchlasses in der Nähe der stromaufwartigen Wandung ein heißes Gas zur Bildung eines Schutzschleiers in der Nähe der Wandung für das Gas eingeleitet wird, daß ein wesentlich heißeres Gas in dieses Ende zwischen dem Schleier aus heißem Gas und der Achse des Durchlasses eingeleitet wird und in direkte Berührung mit dem Kohlenwasserstoffausgangcmaterial kommt, daß das heißere Gas mit einer Temperaturmenge und Qualität derart vorhanden ist, daß das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial sofort und schalgartig in einen Zustand zur Erzeugung von Ruß übergeführt wird.

2. Länglicher Rußherstellungsofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem länglichen Durchlaß, in welchem an einem Ende ein axialer Kohlenwasserstoffausgangsmaterialeinlaß und am anderen Ende Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Gase und den darin gebildeten Ruß abführen, mit einer Vorverbrennungszone an diesem Ende des länglichen Durchlasses in axialer Ausrichtung zu der Längsachse des Durchlasses und mit einer Einrichtung zum Einspeisen von heißem Verbrennungsgas in diese Zone, dadurch

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gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Verbrennungsgaseinlässe (6,7) vorgesehen sind, die in die Vorverbrennungszone (4) in unterschiedlichen Radialabständen von der Längsachse des Durchlasses (10) einmünden, daß ein äußerer (6) und ein innerer (7) Gaseinlaß sowie jedem der Verbrennungsgaseinlässe zugeordnete Einrichtungen vorgesehen sind, die eine Einleitung von Verbrennungsgasen für jeden Einlaß (6,7) in die Zone (4) unabhängig voneinander gestatten.

3. Rußofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlässe (6,7) parallel zueinander und jeweils in einer Ebene senkrecht bezüglich der Längsachse liegen.

4. Rußofen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Abschnitt des äußeren Gaseinlasses (6) tangential bezüglich der Zone (4) angeordnet ist.

5. Rußofen nach Anspruch 2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Durchlaß (10) im Querschnitt ungefähr kreisförmig ausgebildet, mit feuerfestem Material ausgekleidet und in offener Verbindung am stromaufwartigen Ende mit dem stromabwärtigen Ende der Vorverbrennungszone (4) steht, daß der kreisförmige Querschnitt wenigstens teilweise an den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seiten der Vorverbrennungszone (4) wenigstens von vier vorgeformten Keramikelementen (C,D) gebildet wird, wobei jedes Element zwei benachbarte gerade Kanten besitzt, die zur Bildung einer Innenkante angeordnet sind,und jedes Element an der Innenseite mit einer Viertelkreissektion angepaßt und derart ausgenommen oder versetzt ist_w daß das Element bündig an ein zylinderförmig ausgebildetes Keraraikteil anschließt, daß die stromabwärtigen Seitenelemente (C,D) am Einlaß der im Querschnitt kreisförmigen Reaktionskammer (10) befestigt sind, die stromaufwärtigen Flächenelement (C,D) an einem zylinderförmigen Keramikteil angebracht sind, welches

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eine axiale EinfUhrleitung (3) und eine axiale Luftleitung (2) aufnimmt, daß zwei der vier vorgeformten Keramikelemente (D) eine Vorverbrennungskammer als Fläche bilden, die im Querschnitt ungefähr eine quadratische Gestalt aufweist und zwei der vier vorgeformten Keramikelement (C) im wesentlichen viertelkreisförmig ausgebildet und wechselweise angeordnet sind, daß wenigstens vier Verbindungselement (E₁F) als vorgeformte Keramikteile an den Umfang der Vorverbrennungszone (4) sich anschließen, die an den stromaufwartigen und stromabwärtigen Seiten der Vorverbrennungskaramer (4) angepaßt sind, wobei zwei der vier Verbindungselemente (E) ungefähr geradlinig und passend entsprechend der quadratischen Querschnittsgestalt der Seitenelemente (D) ausgebildet sind und wenigstens zwei der vier Verbindungselememte (F) gekrümmt ausgebildet sind und an die äußere gekrümmte Kante jedes viertelkreisförmig ausgebildeten Elementes (C) anschließen, daß ein Keramikelement (B) als tangentialer Einlaß passend befestigt ist und in offener Verbindung mit der Vorverbrennungskammer (A) an der Stelle der quadratisch ausgebildeten Elemente (D) der Flächen und der geradlinig ausgebildeten Verbindungselemente (E) steht, daß die tangentialen E-Liiuiente (B) im Querschnitt ungefähr quadratisch ausgebildet sind und die heißen Verbrennungsgase aufnehmen sowie die Einleitung der Gase in die Vorverbrennungskammer (4) in ungefähr tangentialer Form gestatten.

6. Rußofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb jedes Keramikelementes (B) als tantialer Einlaß ein hohlzylindrisches, im Querschnitt kreisförmiges Keramikelement (A) vorgesehen ist.

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