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Verfahren und Anlage zur Rußherstellung
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Die Erfindung betrifft gattungsgemäß ein Verfahren zur Rußherstellung
durch thermische Spaltung von bei Normaltemperatur flüssigen Kohlenwasserstoffen,
insbesondere hochsiedenden Kohlenwasserstoffen in einem Reaktionsraum, wobei ein
Teil der für die Spaltung benötigten Wärme durch Verbrennung einer Teilmenge der
flüssigen Kohlenwasserstoffe mit 02-haltigen Gasen, vorzugsweise Luft, erzeugt wird
und bei dem nach der Spaltung Kühlmedium zur Abschreckung des Reaktionsgemisches
in den Reaktionsraum eingeführt wird sowie eine Rußerzeugungsanlage zur Durchführung
des Verfahrens.
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Die Rußherstellung durch thermische Spaltung von Kohlenwasserstoffen
ist seit langem bekannt, und es sind bereits eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen
für diesen Zweck beschrieben worden. Dies hängt u. a. damit zusammen, daß einerseits
für verschiedene Anwendungszwecke, z. B. in der Gummi-, Kunststoff- und Färbemittel-Industrie,
unterschiedliche Rußqualitäten benötigt werden, und daß andererseits bei gleicher
Verfahrensweise bzw. in einer bestimmten Rußerzeugungsanlage bei Einsatz wechselnder
Kohlenwasserstoffe unterschiedliche und ggf. unerwünschte Rußqualitäten anfallen.
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Zur Rußerzeugung werden viefodh hs orw eise Rückstandsöle der Erdölaufbereitung
oder schwere Steinkohlenteeröle verwendet. Deren Zusammensetzung und Eigenschaften,
die die Rußqualität bestimmen, können je nach Herkunft stark wechseln.
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Da wegen der bekannten Schwierigkeiten, insbesondere bei der Rohölbeschaffung,
in zunehmendem Maße unterschiedliche derartige Rohstoffe für die Rußerzeugung zur
Verfügung stehen werden, bemüht man sich in steigende Maße, diesen Gegebenheiten
dadurch Rechnung zu tragen, daß Rußerzeugungsanlagen für unterschiedliche Betriebsbedingungen
ausgelegt werden, um in einer Anlage sowohl aus unterschiedlichen Einsatz-Kohlenwasserstoffen
eine definierte Rußqualität zu erzeugen als auch je nach Wunsch bzw. Bedarf aus
möglichst beliebigen Einsatz-Kohlenwasserstoffen unterschiedliche Rußqualitäten
zu erzeugen.
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Eine für solche Zwecke konzipierte bekannte Anlage (DOS 28 36 345)
weist einen dem Reaktionsraum vorgeschalteten Mischraum auf, dem vorgewärmte Luft
und Kohlenwasserstoffe aus einer Aufbereitungsanlage zugeführt werden.
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Der Mischraum dieser Anlage ist von einem Kanal umgeben, durch den
- im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung der Komponenten im Mischraum - ein
Fluid strömt, mit dessen Hilfe die Mischraumwände entweder gekühlt oder erwärmt
und damit die günstigste Temperatur für das Mischen von Luft und Kohlenwasserstoffen
im Mischraum beliebig lange annähernd konstant gehalten werden soll.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Mischraumvolumen unverhältnismäßig
und unwirtschaftlich groß gewählt werden muß, um die nötige Wärmeaustauschfläche
zur Beeinflussung der Temperatur im Mischraum zu erreichen. Die vorgeschlagene Kühlung
des Mischraumes hat sogar negative Auswirkungen auf den Verfahrensablauf und die
Rußausbeute - hinsichtlich Qualität und Menge - ergeben, da die Wandtemperatur der
Mischkammer hierbei - ebenso wie bei Erwärmung - immer erheblich von der Temperatur
der Komponenten abweicht, d. h. es besteht die Gefahr, daß an der Mischraumwand
entweder Kondensations- oder Crackerscheinungen auftreten.
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Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Rußerzeugungsanlage besteht
darin, daß bei hohen Mischraumtemperaturen die Zündung bzw. Teilverbrennung von
Kohlenwasserstoffen bereits im Mischraum stattfinden kann, da bei dieser Anlage
der Mischraum beim Uebergang in den Reaktor seinen größten Querschnitt aufweist,
d. h. die Anlage weist keinerlei Merkmale auf, durch die ein Rückzünden der normalerweise
im Reaktor ablaufenden Teilverbrennung in den Mischraum verhindert werden kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäß es Verfahren
und eine Anlage zur Erzeugung von Rußen unterschiedlicher Qualität aus insbesondere
höhersiedenden Kohlenwasserstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften bzw.
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Zusammensetzungen zu erzeugen.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bis 9 genannte Verfahrensweise
bzw. die angegebenen Vorrichtungsmerkmale gelöst.
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Die Besonderheit des Verfahrens besteht vor allem darin, daß einerseits
das Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und °2-haltigem Gas in einem Mischraum dadurch
vorerhitzt wird, daß heiße Inertgase in den Mischraum eingeführt werden, d. h.
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im Gegensatz zu der vorher beschriebenen bekannten Rußerzeugungsanlage
findet hier ein direkter Wärmeaustausch, und zwar immer eine Erwärmung bzw. Erhitzung
des Reaktionsgemisches statt. Andererseits wird bei dem neuen Verfahren ein Rückzünden
bzw. Zurückschlagen der Teilverbrennungs-Flamme aus dem Reaktions- in den Mischraum
dadurch vermieden, daß die Geschwindigkeit des vom Mischraum in den Reaktionsraum
strömenden Gemisches größer ist als seine Flammengeschwindigkeit.
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Eine besonders vorteilhafte und wirtschaftliche Verfahrensweise besteht
darin, daß als heiße Inertgase Abgase der Rußerzeugungsanlage selbst verwendet werden.
Diese Abgase enthalten
bekanntlich mehr oder weniger große Mengen
brennbarer Bestandteile und werden bei bekannten Rußerzeugungsanlagen z. B. zur
Erzeugung von Hilfsenergie verwendet. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen
die fühlbare und die gebundene Wärme dieser Abgase bzw. eines Teiles dieser Abgase
unmittelbar in den Prozess zurückgeführt und in ihm genutzt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß die Abschreckung des Reaktionsgemisches im Reaktionsraum den
Reaktionszeiten der Rußbildung, die je nach herzustellender Rußqualität und Einsatz-Kohlenwasserstoffen
unterschiedlich ist, angepaßt werden kann.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die für die Erzeugung
mancher Rußqualitäten bekannten Additive, z. B. Alkaliverbindungen, mit Hilfe der
heißen Inertgase in den Mischraum einzuführen. Mit dieser Verfahrensweise wird eine
rasche, feinste Verteilung der Additive erreicht, die sich günstig auf die Vermischung
der Additive mit dem im Mischraum verdampfenden bl und damit auf eine gleichmäßige
Verteilung in dem im Reaktionsraum gebildeten Ruß auswirkt.
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Eine zur Durchführung des neuen Verfahrens dienende erfindungsgemäße
Rußerzeugungsanlage sowie vorteilhafte Verfahrensvarianten, die unter Benutzung
dieser Anlage durchgeführt werden können, werden nachstehend unter Bezugnahme auf
die in Fig. 1 dargestellte beispielsweise Ausführungsform einer solchen Anlage näher
erläutert.
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Die Figur zeigt einen Längsschnitt der erfindungswesentlichen Teile
einer (nicht maßstäblich dargestellten) Rußerzeugungsanlage, die aus Mischraum 1,
Verbindungsstutzen 2 und Reaktionsraum 3 bestehen. Diese in üblicher Weise feuerfest
ausgemauerten oder mit Stampfmasse ausgekleideten Anlagenteile können sowohl waagerecht
als auch senkrecht
angeordnet werden. Die Einrichtungen zum Abführen
des Reaktionsgemisches, zur Abtrennung des Rußes und zur weiteren Behandlung der
Abgase sind nicht dargestellt, da solche Anlageteile bekannt sind und keinen Gegenstand
der Erfindung bilden.
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Zur Zuführung der Kohlenwasserstoffe dient Leitung 4, die von einem
ersten Mantelrohr 5 umgeben ist, durch das Zerstäubungsluft über den Stutzen 6 zugeführt
wird. Dadurch wird an den in bekannter Weise ausgebildeten Austrittsöffnungen der
Zuleitungen 4 und 5 für eine feiner Verteilung bzw. Verdüsung der vorzugsweise in
flüssigem Zustand zugeführten Kohlenwasserstoffe bewirkt. - Die Kohlenwasserstoffe
werden, wenn es sich um hochsiedende Gemische handelt, vor der Zuführung zur Rußerzeugungsanlage
in bekannter Weise vorerwärmt. - Die für die teilweise Verbrennung der Kohlenwasserstoffe
benötigte Luft wird durch ein weiteres Mantelrohr 7 zugeführt, das im dargestellten
Beispiel eine Trennwand 8 und zwei Luftzufuhrstutzen 9, 10 aufweist. Die Luftaustrittsöffnungen
zum Mischraum sind ebenfalls in an sich bekannter Weise ausgebildet, und zwar im
vorliegenden Fall derart, daß die durch Stutzen 9 zugeführte Luft in vorwiegend
axialer Richtung in den Mischraum strömt, während der durch Stutzen 10 zugeführten
Luft bei ihrem Austritt in den Mischraum eine Drallbewegung erteilt wird. Durch
Regelung bzw. Variation der Luftmengen, die den Stutzen 9 und 10 zugeleitet werden,
kann der Austrittskegel des Kohlenwasserstoff-Zerstäubungsluft-Gemisches auf diese
Weise beeinflußt werden.
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In den Mischraum werden außerdem durch die oeffnungen 11 heiße Inertgase
eingeleitet, die durch den Stutzen 12 und Ringleitung 13 zugeführt werden. Am Stutzen
12 befindet sich eine Zuleitung 14 für die dosierte Zufuhr von Additiven.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, werden die heißen Inertgase in
dem in Strömungsrichtung der eingeführten Stoffe vorderen Teil des Mischraumes zugeführt,
Die Eintrittsöffnungen 11 für die heißen Inertgase können in unterschiedlicher Weise
ausgebildet sein, d. h. durch ihre Form und Anordnung kann den heißen Inertgasen
z. B. eine vorzugsweise tangentiale oder axiale Strömungsrichtung, bezogen auf die
Mischraumachse, erteilt werden.
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Die heißen Inertgase dienen in erster Linie dazu, das Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisch
auf eine unter der Verbrennungs-bzw. Spalttemperatur der Kohlenwasserstoffe liegenden
Temperatur vorzuerhitzen und insbesondere die Verdampfung der flüssig zugeführten
Kohlenwasserstoffe zu bewirken. Außerdem wird dadurch, daß zumindest eine Teilmenge
der heißen Inertgase entlang der Mischraumwand strömt, verhindert, daß Kohlenwasserstoffe,
insbesondere noch nicht verdampfte Tröpfchen, an die Mischraumwand gelangen.
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Die Querschnittsform des Mischraumes kann praktisch beliebig gewählt
werden, d. h. sie kann rund, oval oder eckig sein.
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Um Störungen der Strömung der Medien zu verhindern, sind abgerundete
Formen jedoch vorzugsweise anzuwenden. In jedem Fall ist in Strömungsrichtung zunächst
eine allmähliche bzw.
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stufenweise Erweiterung sowie vor dem Verbindungsstutzen 2 eine starke
Verringerung des Mischraum-Querschnittes erforderlich.
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Der Querschnitt des Verbindungsstutzens 2, durch den das Gemisch aus
heißen Kohlenwasserstoff-Dämpfen, Luft und Inertgasen in den Reaktionsraum 3 strömt,
ist so bemessen, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches unter allen Betriebsbedingungen
der Rußerzeugungsanlage größer ist als die Flammengeschwindigkeit der eingesetzten
Kohlenwasserstoffe.
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Im Reaktionsraum 3 findet die Teilverbrennung sowie die thermische
Spaltung der Kohlenwasserstoffe unter Rußbildung statt. - Die Maßnahmen bzw. Anlagenteile
zur Aufheizung der Anlage und zur erstmaligen Zündung des Reaktionsgemisches bei
Inbetriebnahme der Rußerzeugungsanlage sind bekannt und werden deshalb nicht näher
beschrieben bzw. in der Zeichnung dargestellt. -Es ist bekannt, daß die Reaktionszeit
für die Rußbildung je nach Einsatzstoff und zu erzeugender Rußqualität unterschiedlich
ist, d. h., die Reaktionszone im Reaktionsraum kann verschieden lang sein. Um diesem
Umstand Rechnung zu tragen, weist der Reaktionsraum der erfindunsgemäßen Rußerzeugungsanlage
auf den Umfang verteilte öffnungen 15, 16, 17 zur Einführung von Kühlmedium in mehreren,
senkrecht zur Reaktionsraumachse liegenden Ebenen auf, denen das Kühlmedium durch
Ringleitungen 18, 19, 20 über eine gemeinsame Leitung 21 zugeführt wird. Mit Hilfe
der Absperrorgane 22, 23, 24 wird das Kühlmedium jeweils denjenigen öffnungen zugeführt,
die unmittelbar hinter dem vorher genannten Rußbildungsbereich liegen.
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Als Kühl- bzw. Abschreckmedium werden bevorzugt Stoffe verwendet,
auf deren Abtrennung aus dem Abgas verzichtet werden kann oder deren Abscheidung
einen möglichst geringen Aufwand erfordert. Dazu gehören insbesondere verflüssigtes
Kohlendioxid und Wasser.
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Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Rußerzeugungsanlage kann
sowohl konstruktiv als auch hinsichtlich ihrer Betriebsweise variiert werden. Die
bereits angegebenen unterschiedlichen Querschnittsformen des Mischraumes gelten
auch für den Verbindungsstutzen und den Reaktionsraum.
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Die Zuführung der heißen Inertgase erfolgt bei axialer Einströmrichtung
in den Mischraum vorzugsweise über jalousettenartige Ringspalte in der Mischraumwand.
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Um eine sehr breite Palette von Einsatz-Kohlenwasserstoffen verarbeiten
zu können, können die konzentrischen Leitungen zur Zuführung von Kohlenwasserstoffen
und Luft in Achsrichtung verschiebbar angebracht werden, um entweder den Abstand
zwischen ihrem Austritt aus den Leitungen bzw.
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Düsen von den Eintrittsöffnungen für das heiße Inertgas zu variieren
oder - insbesondere bei Einsatz niedrig siedender bzw. leicht verdampfbarer Kohlenwasserstoffe
- um diese Zuführungen durch den Mischraum bis in den Verbindungsstutzen 2 hineinzuführen,
so daß die Kohlenwasserstoffe und die Luft unmittelbar in den Reaktionsraum eingeführt
werden. Auch in diesem Fall wird dem Mischraum heißes Inertgas zugeführt, das durch
den Ringspalt zwischen der Innenwand des Verbindungsstutzens und der Außenwand des
Mantelrohres 7 in den Reaktionsraum strömen kann, da der freie Durchschnittsquerschnitt
des Verbindungsstutzens 2 erfindungsgemäß mindestens 10 % größer ist als der Querschnitt
des Mantelrohres 7.
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Während bei der Mischung von Kohlenwasserstoffen, Luft und Inertgas
im Mischraum die Temperatur des Inertgases so bemessen werden muß, daß an keiner
Stelle des Mischraumes die Zündtemperatur der Kohlenwasserstoffe überschritten wird,
ist es vorteilhaft, bei direkter Zuführung aller Komponenten in den Reaktionsraum
die Inertgase so hoch als möglich, insbesondere auf eine höhere als die Kohlenwasserstoff-Zündtemperatur,
zu erhitzen. Auf diese Weise kann ein optimaler Teil der Wärme, die zur Erhitzung
des Kohlenwasserstoff-I.uft-Gemisches auf Zündtemperatur benötigt wird, als fühlbare
Wärme der Inertgase zugeführt und damit die zu verbrennende Kohlenwasserstoff-Menge
klein gehalten werden.
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Da die heißen Inertgase erfindungsgemäß aus Abgas der Rußerzeugungsanlage
bestehen, deren Temperatur durch Nachverbrennung der im Abgas enthaltenen brennbaren
Bestandteile,
d. h. durch Nutzung geringwertiger gebundener Wärme,
erhöht wird, bietet die neue Rußerzeugungsanlage auch unter wirtschaftlichen Aspekten
beträchtliche Vorteile gegenüber den bisher bekannten Anlagen.