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Verfahren zur gleichzeitigen Gewinnung von Ruß und reinem Wasserstoff
Die Gewitmung von Ruß aus Koblenwasserstoffen, insbesondere aus Methan, durch thermische
Zersetzung ist bekannt. Die bekannten Verfahren arbeiten in der Weise, daß die Kohlenwasserstoffe
in von außen erhitzten Retorten oder durch überleiten über hocherhitzte Körper mittels
Wärme gespalten werden.
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Die Wärmeübertragung an das zu spaltende Gas erfolgt hierbei von der
Wandung der Retorte aus oder beim Überleiten über hocherhitzte Körper. Es findet
also die Spaltung an der Oberfläche eines festen Körpers statt. Hierbei setzt sich
jedoch der frei gewordene Kohlenstoff an diesen fest und scheidet sich nicht als
fein verteilter Ruß ab, sondern nimmt durch das Verbleiben in der heißen Zone mehr
oder minder graphitartige oder retortenkohlenartige Form an. Ein derartiger Ruß
ist aber für viele Verwendungszwecke, besonders in der Gummiindustrie, nicht verwendbar.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, ist auch schon vorgeschlagen, die
Spaltung von Kohlenwässerstoffen mit hocherhitzten Gasen, vornehmlich Verbrennungsgasen,
als Wärmeträger gemischt, vorzunehmen. Diesen Arbeitsmethoden haftet der große Nachteil
an, daß der bei der Spaltung frei werdende Wasserstoff nicht in reiner Form gewonnen
wird, sondern stets mit den zugeführten Gasen Kohlenoxyd u. dgl. gemischt ist. Ferner
wird die Qualität des Rußes dadurch sehr beeinträchtigt, daß dieser nicht in absolut
trockener Form, sondern mehr oder minder feucht erhalten wird. Auch können bei den
zuletzt beschriebenen Arbeitsmethoden leicht Explosionen eintreten.
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Diese den bisher bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile vermeidet
.nun vorliegende Erfindung und ermöglicht die gleichzeitige Gewinnung eines äußerst
fein verteilten, absolut trockenen, sehr deckkräftigen, tiefschwarzen Rußes, der
ohne jegliche Beimengungen von graphitartigen oder retortenkohlenartigen Kohleteilchen
ist, und eines praktisch reinen Wasserstoffes ohne eine Beimengung von Fremdgasen
und ohne daß hierbei Nebenreaktionen auftreten oder die Kohlenwasserstoff e verbrennen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird Wasserstoff in einer geschlossenen
Retorte von außen hoch erhitzt und dann bei einer Temperatur, bei welcher noch keine
Spaltung eintritt, mit vorgewärmtem Kohlen-,vasserstoff in einer Mischdüse derartig
gemischt, daß hierbei die Temperatur nur sehr wenig oberhalb der Spalttemperatur
liegt. Die Spaltung erfolgt vollkomm,enf,amrnenlos.s?ofortb@eim Zusammentreffen
des hocherhitzten Wasserstoffes mit dem zu spaltenden Kohlenwasserstoff in einer
verhältnismäßig sehr kleinen heißen Zone. Aus dieser wird durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit
der Gase der in diesen schwebende, ;als fein verteilter Ruß abgeschiedene Kohlenstoff
sofort entfernt, so daß keine graphitartigen .oder. retortenkQhlenartigen Umbildungen
durch Wärmewirkung eintreten können.
Der bei der Spaltung der Kohlenwasserstoffe
frei werdende Wasserstoff ist vollkommen rein, und ein Teil wird nach Erhitzung
erneut der Zersetzungskammer zugeführt, während der andere Teil als solcher gewonnen
werden- kann.
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Eine Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens ist auf der beiliegenden
Zeichnung dargestellt.
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Der zu spaltende Kohlenwasserstoff, z. B. Methan, tritt durch a ein
und wird durch den in oder auch um der Zersetzungskammer b (Feg. i) öder auch in
den Abzuggasen der Brennkammer c (Feg. 2) eingebauten Vorwärmer d vorgewärmt und
in dem vorgewärmten Zustande durch das Rohr o der 1VIischdüsee zugeführt. In der
Brennkammer c wird in dem Erhitzer f Wasserstoff in solcher Menge auf die notwendige
hohe Temperatur erhitzt und wird nach erfolgter Mischung mit dem vorgewärmten zu
spaltenden Kohlenwasserstoff auf die für die Spaltung erforderliche Temperatur gebracht.
Der erhitzte Wasserstoff wird von dem Erhitzer i durch die Rohrleitung g ebenfalls
der Mischdüse e zugeführt. Hier mischt sich der @erhitzte Wasserstoff mit dem zu
spaltenden Kohlenwasserstoff, und es wird nun dem Gasgemisch der Spaltkammer zugeführt,
wo es in seine Komponenten Kohlenstoff und Wasserstoff zerfällt. Der Kohlenstoff
scheidet sich hierbei als fein verteilter, frei im Raume schwebender Ruß ,aus und
gelangt mit dem Wasserstoff in die Trennkammern. Es wird nun durch bekannte Einrichtungen,
wie Siebe o. d-1., der Ruß aus dem Wasserstoff abgesondert und bei h entnommen.
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Der Wasserstoff tritt bei l aus und gelangt zum Teil wieder durch
das Rohr tz zur erneuten Erhitzung in den Erhitzer f, während der andere Teil bei
p anderweitiger Verwendung zugeführt wird.
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Die Beheizung der Brennkammer kann mittels jedes beliebigen Brennstoffes,
z. B. durch den überschüssigen Wasserstoff, welcher durch den Brenner l zugeführt
wird, erfolgen. Verbrennungsprodukte können nicht in den Wasserstoff und auch nicht
in den zu spaltenden Kohlenwasserstoff gelangen, da dieganze Apparatur gegen außen
abgeschlossen ist. Die für die Mischung erforderliche Wasserstoffmenge bleibt stets
.die gleiche und wird aus der Trennkammern durch Rohr n und m,
welche
an i angeschlossen sind, entnommen und durch die Rohrleitung g der Mischdüse e und
der Zersetzungskammern zugeleitet.
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Durch geeignete, an sich bekannte Kühlvorrichtungen, z. B. Luftzuführung
an der Außenwand der Zersetzungskammer b, wird dafür gesorgt, daß die Temperatur
in der Zersetzungskammer b eher etwas unter als oberhalb der Spalttemperatur ist,
da dieses günstiger für den zu gewinnenden Ruß ist.
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Das vorbeschriebene Verfahren läßt sich ohne weiteres im kontinuierlichen
Betriebe durchführen und erfordert keine besondere Wartung. Der gewonnene Ruß bedarf
keiner Nachbehandlung, wie z. B. Calcination. Es wird ein in Qualität stets gleichbleibender
Ruß und reiner Wasserstoff bei fast theoretischer Ausbeute erzeugt.
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In einer gegen das Eindringen von Heizgasen geschlossenen Retorte
mit einem Eintritts- und einem Austrittsstutzen für den Wasserstoff wird dieser
durch von außen auf die Retorte wirkende Gasfeuerung auf etwa i2oo° C erhitzt. Der
Wasserstoff tritt während der Erhitzung auf etwa 25o° C vorgewärmt in die Retorte
eile und verläßt dieselbe mit etwa 20 m Strömungsgeschwindigkeit mit eileer Temperatur
von etwa i 2oo° C. Dieser hocherhitzte Wasserstoff wurde dann in einer gegen den
Zutritt von Luft oder anderen Gasen geschützten Mischdüse mit Methan eil dem Verhältnis,
daß auf i Teil Methan .1 Teile Wassers:off kommen, gemischt, dLrgestalt, daß die
Temperatur des Gasgemisches etwa i ooo° C betrug. Hierbei wurde das Methan vollständig
in seine Komponenten Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt. Eine hinter der Spaltzone
entnommene Gasprobe zeigte, daß diese aus reinem Wasserstoff (99,8 11,) bestand.
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Nach erfolgter Spaltung wurde das den fein - verteilten Ruß enthaltene
Wasserstoffgas rasch gekühlt, um graphitartige Umbildungen des Rußes zu vermeiden.
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Der als Ruß gewonnene Kohlenstoff war äußerst fein verteilt, von tiefschwarzer
Farbe, vollkommen trocken und zeigte keinerlei haste Beimengungen oder sonstige
Verunreinigungen. Gespalten %v urden 1,2 cbm Methan, @es wurden hierbei 640,5 g
Ruß und 2,38 cbm Wasserstoff erhalten. Diese Ausbeute ergibt auf i cbm Methan umgerechnet
533,;g Ruß und 1,985 cbm Wasserstoff. Die theoretische Ausbeute aus i cbm Methan
beträgt dagegen 53653 g Ruß und 2 cbm -Wasserstoff. Der erhaltene Wasserstoff hatte
einen Reinheitsgrad von 99,8 oio.
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Der technische Fortschritt des Verfahrens besteht in fast theoretischer
Ausbeute sowohl an Ruß a:s auch an Wasserstoff. Außerdem wird ein (einst verteilter,
vollkommen trockener Ruß !erhalten, der absolut frei von graphitartigen oder retortenkohlenartigen
oder sonstigen Beimengungen ist.. Auch treten keine Nebenreaktionen sowie keine
Verbrennungen von Kohlenwasserstoifen oder bei der Spaltung gewonnenen Produktcar
und Explosionen auf. Des weiteren wird ein praktisch reiner Wasserstoff ohne irgendwelche
Beimischung anderer Gase gewonnen, und schließ-
]ich läßt sich die
Rußherstellung in einem kontinuierlichen Betriebe durchführen.
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Zur Spaltung nach dem vorbeschriebenen Verfahren eignen sich außer
Methan alle anderen Kohlenwasserstofe, welche zur Spaltung in ihre Komponenten der
Wärmezufuhr benötigen, z. B. Athan, Propan, Butän usw., nicht dagegen ,eignen sich
solche Kohlenwasserstoffe, bei denen durch die Spaltung Wärme frei wird, wie z.
B. bei Acetylen.