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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Erzeugung von Rußen mit verschiedenen
physikalischen Eigenschaften, die zur Anwendung als
Füllstoffmaterialien, Bewehrungsmaterialien,
Leitfähigkeitsmaterialien, Farbpigmente usw. geeignet sind.
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Zur Erzeugung von Furnaceruß ist es üblich, ein
Sauerstoff-enthaltendes Gas und einen Brennstoff in eine erste
Reaktionszone in axialer oder tangentialer Richtung eines
zylindrischen Reaktors zur Rußerzeugung einzuführen und während
das gebildete Verbrennungsgas mit hoher Temperatur in eine
zweite Reaktionszone eingeführt wird, eine
Kohlenwasserstoffbeschickung in den eine hohe Temperatur aufweisenden
Verbrennungsgasstrom unter Bildung von Ruß einzuführen. Die
thermische Zersetzungsreaktion der Kohlenwasserstoffbeschickung ist
jedoch kompliziert und es ist schwierig, Ruß mit gewünschten
physikochemischen Eigenschaften mit hohem Wirkungsgrad zu
erzeugen.
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Insbesondere hat die Frage, wie der in der ersten
Reaktionszone gebildete, eine hohe Temperatur aufweisende
Verbrennungsgasstrom mit der Kohlenwasserstoffbeschickung in der
zweiten Reaktionszone unter Bildung von Ruß zu mischen ist,
wesentlichen Einfluß auf Ausbeute und Eigenschaften (der
Arten) des erhaltenen Rußes. Bislang hat man versucht, die
kinetische Energie durch starke Durchwirbelungsbewegung des
eine hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgases oder
durch Bereitstellen einer Verengung verschiedener Größe in
der als Beendigungsreaktionszone dienenden Reaktionszone zu
erhöhen. Es wurde jedoch kein hinreichend befriedigendes
Verfahren oder eine hinreichend befriedigende Vorrichtung zur
Herstellung von Ruß entwickelt.
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Die Japanische geprüfte Patentveröffentlichung Nr.
14684/1969 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von Ruß, worin die physikalischen Eigenschaften
des erhaltenen Rußes durch Erzeugung eines
Verbrennungsgasstromes
in Richtung der Reaktorachse (axialer Strom) und
eines Verbrennungsgasstromes in tangentialer Richtung
(Wirbelungsstrom) geregelt werden. In diesem Fall findet
jedoch das Aufeinandertreffen von axialem Strom und
Wirbelungsstrom nach Einführung der Kohlenwasserstoffbeschickung statt,
wodurch die hervorgerufene turbulente Flußenergie beim
Aufeinandertreffen der zwei Ströme für die Reaktion zur Bildung
von Ruß nicht wirksam genutzt werden kann.
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Des weiteren offenbart die Japanische nichtgeprüfte
Patentveröffentlichung Nr. 185762/1987 ein Verfahren zur
Herstellung von Ruß mit großer Oberfläche durch Einführung
einer Kohlenwasserstoffbeschickung und eines
Sauerstoff-enthaltenden Gases aus der axialen Richtung des Reaktors und
gleichzeitig Einführen eines Wirbelungsstromes eines
Verbrennungsgases mit hoher Temperatur aus dem äußeren Umfang davon.
Jedoch ist der Punkt des Zusammentreffens von axialem
Verbrennungsgasstrom und Wirbelungsverbrennungsgasstrom am
Einführungspunkt oder stromabwärts des Einführungspunktes der
Kohlenwasserstoffbeschickung angeordnet und der optimale
turbulente Fluß wird nicht in dem Bereich des Reaktors gebildet,
wo die Kohlenwasserstoffbeschickung eingeführt wird. Die
erhaltene turbulente Flußenergie durch das Aufeinandertreffen
der zwei Ströme wird daher nicht wirksam für die
Rußbildungsreaktion oder zur Steuerung der physikalischen Eigenschaften
des erhaltenen Rußes genutzt. Des weiteren kann der
Einführungspunkt der Kohlenwasserstoffbeschickung nicht gesteuert
werden, wodurch es schwierig wird, die physikalischen
Eigenschaften des erhaltenen Rußes zu regeln.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren in einer Vorrichtung zur Herstellung von Ruß
herzustellen, wodurch Ruße mit wünschenswerten verschiedenen
physikochemischen Eigenschaften und somit brauchbar für
verschiedene Anwendungen wahlweise und mit hohem Wirkungsgrad
hergestellt werden können.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur
Herstellung von Ruß bereit durch eine Umsetzung, ausgeführt
in einer ersten Reaktionszone, in der durch ein System, das
ein eine hohe Temperatur aufweisendes Verbrennungsgas
erzeugt,
ein Sauerstoff-enthaltendes Gas und ein Brennstoff
vermischt und verbrannt werden unter Herstellung eines eine
hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgasstromes, einer
zweiten Reaktionszone mit einer Verengung, in der eine
Kohlenwasserstoffbeschickung zu dem so erhaltenen eine hohe
Temperatur aufweisenden Verbrennungsgasstrom unter Bildung von
Ruß gemischt wird und einer dritten Reaktionszone, angeordnet
stromabwärts und fortführend von der zweiten Reaktionszone,
in die Löschwasser gesprüht wird, um die Reaktion zu
beendigen, umfassend:
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(i) Einführen in die erste Reaktionszone des eine
hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgasstromes in Form
von zwei Arten von eine hohe Temperatur aufweisenden
Verbrennungsgasströmen, nämlich einem Strom in Richtung der
Reaktorachse (axialer Strom) und einem Strom in tangentialer
Richtung (tangentialer Strom) und Zusammentreffenlassen der
zwei Gasströme miteinander in der ersten Reaktionszone unter
Bildung eines Verbundstromes des eine hohe Temperatur
aufweisenden Verbrennungsgases und
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(ii) in der zweiten Reaktionszone, Einführen der
Kohlenwasserstoffbeschickung zu dem Verbundstrom des eine hohe
Temperatur aufweisenden Verbrennungsgases zur Umsetzung.
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Des weiteren stellt die vorliegende Erfindung eine
Vorrichtung zur Herstellung von Ruß bereit, umfassend eine
erste Reaktionszone, in der durch ein System, das ein eine
hohe Temperatur aufweisendes Verbrennungsgas erzeugt, ein
Sauerstoff-enthaltendes Gas und ein Brennstoff vermischt
werden unter Bildung eines eine hohe Temperatur aufweisenden
Gasstromes, eine zweite Reaktionszone mit einer Verengung,
worin eine Kohlenwasserstoffbeschickung zu dem so erhaltenen
eine hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgasstrom
gemischt wird unter Bildung von Ruß, und eine dritte
Reaktionszone, angeordnet stromabwärts und fortführend von der zweiten
Reaktionszone, in der Löschwasser zur Beendigung der Reaktion
eingesprüht wird, wobei als System, das ein eine hohe
Temperatur aufweisendes Verbrennungsgas erzeugt, in zwei Formen
von Systemen bereitgestellt wird, die ein eine hohe
Temperatur aufweisendes Gas erzeugen, nämlich einem System, das ein
eine hohe Temperatur aufweisendes Verbrennungsgas erzeugt für
einen Strom in Richtung der Reaktorachse (axialer Strom) und
einem System, das ein eine hohe Temperatur aufweisendes
Verbrennungsgas für einen Strom in tangentialer Richtung
(tangentialer Strom) erzeugt, derart ausgelegt, daß der
axiale eine hohe Temperatur aufweisende Verbrennungsgasstrom
und der tagentiale eine hohe Temperatur aufweisende
Verbrennungsgasstrom, die jeweils durch die zwei Systeme, die ein
eine hohe Temperatur aufweisendes Verbrennungsgas erzeugen,
gebildet werden, miteinander in der ersten Reaktionszone
zusammentreffen und Düsen zur Einführung einer
Kohlenwasserstoffbeschickung in der zweiten Reaktionszone vorliegen.
Beigefügte Zeichnungen:
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Figur 1 ist die schematische Ansicht eines vertikalen
Querschnitts einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Rußerzeugungsreaktors.
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Figur 2 ist die Ansicht eines Querschnitts längs der
Linie A-A in Figur 1.
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Figur 3 ist die Ansicht eines Querschnitts längs der
Linie B-B in Figur 1.
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Figur 4 ist die Ansicht eines Querschnitts längs der
Linie C-C in Figur 1.
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Figur 5 ist die Ansicht eines Querschnitts längs der
Linie D-D in Figur 1.
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Figur 6-1 bis 6-3 sind die schematischen Ansichten
eines Querschnitts einer anderen Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Reaktors zur Herstellung von Ruß.
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Figur 7(a) und 7(b) sind die Ansichten, die
verschiedene Ausführungsformen von Verengungen in der zweiten
Reaktionszone erläutern.
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Figur 8-1 ist eine schematische Ansicht eines
Querschnitts, teilweise in Längsrichtung der zweiten
Reaktionszone, mit dem eine weitere Ausführungsform zur Einführung der
Kohlenwasserstoffbeschickung erläutert wird.
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Figur 8-2 ist die Ansicht eines Querschnitts entlang
der Linie E-E in Figur 8-1.
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Die Autoren der vorliegenden Erfindung führten
zahlreiche Experimente hinsichtlich der physikalischen
Eigenschaften
(Qualität) und Ausbeute des sich ergebenden Rußes
bei der Umsetzung zur Formulierung von Ruß durch. Im Ergebnis
fanden sie, daß der Wirkungsgrad der Reaktion für die
Rußbildung und die physikalischen Produkteigenschaften in großem
Maße von vier Faktoren abhängen, nämlich dem minimalen Wert
(1K)min des Kolmogorov-Wirbeldurchmessers 1K, gebildet in dem
Reaktor, der Verteilung davon, dem Verhältnis (Q)1Kmin/Q der
Fließgeschwindigkeit der Kohlenwasserstoffbeschickung, die
durch den Bereich führt, wenn (1K)min vorliegt und dem
Dispersionsgrad der Kohlenwasserstoffbeschickung im (1K)min-
Bereich.
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Somit wurde gefunden, daß es erforderlich ist, zur
unterschiedlichen Steuerung der physikalischen Eigenschaften
von Rußen und zur Herstellung von Ruß in guter Ausbeute, den
Absolutwert von (1K)min und dessen Verteilung und das
Verhältnis (Q)1Kmin/Q sowie den Dispersionsgrad der
Kohlenwasserstoffbeschickung im (1K)min-Bereich zu steuern.
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Des weiteren wurde gefunden, daß um den absoluten
Wert von (1K)min und dessen Verteilung im wesentlichen zu
ändern, es erforderlich ist, die Änderung des Absolutwertes des
turbulenten Flußbestandteils im Reaktor und dessen Verteilung
zu ändern, da der 1K-Wert eine Funktion des turbulenten
Flußbestandteils ist, wie in nachstehender Gleichung dargestellt.
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In der Gleichung haben lo, u' bzw. ν die
nachstehenden Bedeutungen:
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lo: repräsentativer Durchmesser
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u': Turbulenzflußgeschwindigkeitskomponente
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ν: kinematische Viskosität
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Des weiteren sind die durchschnittliche
Geschwindigkeit u des Flusses und deren
Turbulenzflußgeschwindigkeitskomponente u' in einer proportionalen Beziehung. Daher ist
es, um eine wesentliche Änderung des Absolutwertes von
(1K)min und dessen Verteilung zu ändern, erforderlich, die
Geschwindigkeitsverteilung im Reaktor wesentlich zu ändern.
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Die Autoren der vorliegenden Erfindung haben daher
die Fließverteilung in dem Reaktor und die
Turbulenzflußbestandteile hinsichtlich der axialen Strömung in Richtung der
Reaktorachse und der tangentialen Strömung in tangentialer
Richtung durch Kaltflußmodellversuche simuliert, um eine
numerische Datenanalyse zur quantitativen Bestimmung solcher
Geschwindigkeitsverteilung und des turbulenten
Fließgeschwindigkeitsbestandteils zu erlangen. Im Ergebnis wurde
ermittelt, daß der axiale Strom eine Spitze der turbulenten
Fließgeschwindigkeitskomponente im Zentrum des Ofens aufweist und
daß der tangentiale Strom eine Spitze der turbulenten
Fließgeschwindigkeitskomponente in der Nähe der Reaktorwand
aufweist, die völlig abseits vom axialen Strom ist.
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Auf der Basis dieser Erkenntnisse wird der durch ein
eine hohe Temperatur aufweisendes Gas-erzeugende System
gebildete eine hohe Temperatur aufweisende Verbrennungsgasstrom
in Form von drei Strömungsarten eingeführt, nämlich dem
axialen Strom und tangentialen Strom wobei die zwei Ströme dann
aufeinander treffen unter Bildung eines Verbundstromes in der
ersten Reaktionszone. Anschließend wird in der zweiten
Reaktionszone eine Kohlenwasserstoffbeschickung eingeführt und
mit dem Verbundstrom umgesetzt. In solcher Weise ist es
möglich, den turbulenten Fließgeschwindigkeitsbestandteil im
wesentlichen zu ändern, nämlich den absoluten Wert von (1K)min
und dessen Verteilung durch Änderung des
Fließgeschwindigkeitsverhältnisses der axialen Strömungskomponente und der
tangentialen Strömungskomponente, wodurch es möglich ist,
wahlweise und leicht die physikalischen Eigenschaften
(Qualität) des erhaltenen Rußes zu steuern, wie
Teilchengröße, Teilchengrößenverteilung, Aggregatgröße und
Aggregatgrößenverteilung.
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Des weiteren kann die Steuerung des Verhältnisses
(Q)1Kmin/Q durch den (1K)min-Bereich und der Dispersionsgrad
der Kohlenwasserstoffbeschickung in (Q)1Kmin wirksam durch
Hinzunahme der Steuerung der Anordnung und der
Einführungsweise der Kohlenwasserstoffbeschickung in die zweite
Reaktionszone unter Regelung der vorstehenden (1K)min-Verteilung
ausgeführt werden.
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Es ist nämlich gewöhnlich bevorzugt, daß die
Einführung der Kohlenwasserstoffbeschickung in die zweite
Reaktionszone in einer Richtung im wesentlichen quer zur
Reaktorachse aus der Seite bewirkt wird. Es ist jedoch auch
möglich, das Zuführungsverhältnis der
Kohlenwasserstoffbeschickung zum gewünschten Bereich und den Dispersionsgrad der
Kohlenwasserstoffbeschickung durch verschiedenartige Änderung
oder Regelung der Anordnung der Zuführungsdüsen für die
Kohlenwasserstoffbeschickung, der Zahl der Düsen oder dem Winkel
der Zuführungsdüsen einzuregeln.
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Wie vorstehend erwähnt, ist die Einführung der
Kohlenwasserstoffbeschickung vorzugsweise in einer quer zur
Reaktorachse von der Seite der zweiten Reaktionszone im
wesentlichen verlaufenden Richtung auszuführen. Es ist jedoch auch
möglich, andere Einführungsverfahren anzuwenden.
Beispielsweise gibt es ein Verfahren, bei dem die Beschickung aus der
Mitte des Reaktors eingeführt wird. Gemäß einem solchen
Verfahren der Beschickungseinführung aus der Mitte des Reaktors
ist es möglich, den Dispersionsgrad einfach durch Änderung
des Strömungswinkels der Kohlenwasserstoffbeschickung zu
ändern oder zu regeln. Wenn des weiteren die Beschickung von
der Mitte des Reaktors ausgeführt wird, ist es möglich, einen
Vorteil zu erhalten, in dem ein Wirbelungsfluß unter extrem
stabilen Bedingungen zugeführt werden kann.
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Zusammengefaßt wird erfindungsgemäß der eine hohe
Temperatur aufweisende Verbrennungsgasstrom in die erste
Reaktionszone in Form von zwei Stromarten eingeführt, nämlich
dem axialen Strom und dem tangentialen Strom, die zwei völlig
voneinander verschiedene Ströme hinsichtlich
Geschwindigkeitsverteilung in dem Reaktor darstellen. Die zwei Ströme
werden unter Bildung eines Verbundstromes aufeinandertreffen
lassen, wobei verglichen mit dem Fall eines Einfachstromes
des axialen Stromes oder des tangentialen Stromes allein der
absolute Wert von (1K)min und dessen Bereich geändert oder zu
einem großen Ausmaß geregelt werden kann und zusätzlich ist
es mit einer Änderung oder Steuerung der Bedingung zur
Einführung der Kohlenwasserstoffbeschickung bei einer solchen
Regelung möglich, die physikalischen Eigenschaften des
erhaltenen Rußes im wesentlichen zu ändern und zu regeln, wie die
Teilchengröße, Teilchengrößenverteilung, Aggregatgröße und
Aggregatgrößenverteilung.
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Als Brennstoff zur Erzeugung des eine hohe Temperatur
aufweisenden Verbrennungsgasstromes in der vorliegenden
Erfindung kann geeigneterweise ein gasförmiger Brennstoff, wie
Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Erdgas, Kohlengas oder
Petrolgas; ein Flüssigbrennstoff von Erdöl, wie Kerosin,
Benzin oder Schweröl; ein Flüssigbrennstoff von Steinkohle, wie
Creosotöl, Naphthalinöl oder Carbolsäureöl angewendet werden.
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Als Kohlenwasserstoffbeschickung der vorliegenden
Erfindung kann geeigneterweise ein aromatischer
Kohlenwasserstoff, wie Benzol, Toluol, Xylol, Naphthalin oder Anthracen;
ein Kohlenwasserstoff von Steinkohle, wie Creosotöl oder
Carbolsäureöl; ein Schweröl von Erdöl, wie Ethylenschweröl oder
FCC-Öl; ein von ungesättigtem Kohlenwasserstoff abgeleiteter
Kohlenwasserstoff vom Ethylentyp; ein Kohlenwasserstoff vom
Ethylentyp oder ein aliphatischer Kohlenwasserstoff, wie
Pentan oder Hexan angewendet werden.
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Die Erfindung wird nun im einzelnen mit Hinweis auf
die praktischen Ausführungsformen des Rußerzeugungsreaktors
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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In den beigefügten Zeichnungen, ist Figur 1 die
schematische Ansicht eines vertikalen Querschnitts des Hauptteils
einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Rußerzeugungsreaktors; Figur 2 ist die Ansicht eines Querschnitts längs
der Linie A-A in Figur 1; Figur 3 ist die Ansicht eines
Querschnitts längs der Linie B-B in Figur 1; Figur 4 ist die
Ansicht eines Querschnitts längs der Linie C-C in Figur 1;
Figur 5 ist die Ansicht eines Querschnitts längs der Linie D-D
in Figur 1. Bezugsziffer 1 kennzeichnet den Hauptkörper des
Erzeugungsreaktors, Bezugsziffern 2 und 2' bezeichnen die
Verengungen, Bezugsziffer 3 bezeichnet eine erste
Reaktionszone, Bezugsziffer 4 bezeichnet eine zweite Reaktionszone,
Bezugsziffer 5 bezeichnet eine dritte Reaktionszone,
Bezugsziffer 6 bezeichnet eine Zuführungsdüse für die
Kohlenwasserstoffbeschickung, Bezugsziffer 7 bezeichnet eine
Wassereinsprühung
zur Reaktionsbeendigung, Bezugsziffer 8 bezeichnet
einen Einlaß für ein Sauerstoff-enthaltendes Gas für den
axialen Strom, Bezugsziffer 8' bezeichnet den Eingang für das
Sauerstoff-enthaltende Gas für den axialen Strom,
Bezugsziffer 9 bezeichnet eine Brennstoffdüse für den axialen Strom,
Bezugsziffer 10 bezeichnet eine Führung für ein eine hohe
Temperatur aufweisendes Verbrennungsgas für den tangentialen
Strom, Bezugsziffer 11 ist ein Einlaß für das
Sauerstoff-enthaltende Gas für den tangentialen Strom und Bezugsziffer 12
bezeichnet eine Brennstoffdüse für den tangentialen Strom.
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Wie in Figur 2 gezeigt, gibt es insgesamt 4
Einlaßanordnungen 8, ausgestaltet für das Sauerstoff-enthaltende Gas
für den axialen Strom, während nur eine Brennstoffdüse 9 für
den axialen Strom vorliegt. Das Gas oder der
Flüssigbrennstoff wird aus Düse 9 ausströmen lassen, wird gemischt und
mit Sauerstoff aus Einlaßanordnungen 8 zugeführt und unter
Bildung eines axialen Stromes des eine hohe Temperatur
aufweisenden Verbrennungsgases verbrannt.
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Andererseits wie in Figur 3 gezeigt, wird ein Gas
oder ein Flüssigbrennstoff aus den Brennstoffdüsen 12 für den
tangentialen Strom ausströmen lassen und wird mit einem
Sauerstoff-enthaltenden Gas, eingeführt aus den
Einlaßanordnungen 11, vermischt, so daß das Sauerstoff-enthaltende Gas für
den tangentialen Strom verbrannt und über einen Weg 10 in die
erste Reaktionszone 3 eingeführt wird unter Bildung eines
tangentialen Stromes des eine hohe Temperatur aufweisenden
Verbrennungsgases. Der axiale Strom des eine hohe Temperatur
aufweisenden Verbrennungsgases und der tangentiale Strom des
eine hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgases, die so
gebildet wurden, und in die erste Reaktionszone 3 eingeführt
wurden, werden in der ersten Reaktionszone oder an einer
Stelle stromaufwärts der zweiten Reaktionszone unter Bildung
eines Verbundstromes eingeführt und aufeinandertreffen
lassen. Der axiale Strom und der tangentiale Strom sind für die
betreffenden Fließgeschwindigkeiten unabhängig voneinander
regelbar, so daß das Verhältnis der Fließgeschwindigkeiten
der zwei Ströme gegebenenfalls eingestellt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der zweiten
Reaktionszone ist die Reaktorwand derart ausgebildet, daß sie
eine Form wie in Figur 1 aufweist, so daß die zweite
Reaktionszone 4 allmählich sich in axialer Richtung des Reaktors
verengt und die Kohlenwasserstoffbeschickungsdüsen 6 an drei
Stufen des Aufwärtsstromes und der Zwischenstrom sowie der
Abwärtsstrom in einer Richtung, die im wesentlichen quer zur
Reaktorachse und zu der zweiten Reaktionszone verläuft,
angeordnet sind, d.h. in einer Richtung quer zum Verbundstromfluß
in der zweiten Reaktionszone von dessen Seite. Wie in Figur 1
gezeigt, sind acht Düsen 6 in jeder Stufe derart angeordnet,
so daß eine Gesamtheit von 24 Düsen bereitgestellt wird. Die
Gesamtheit der Düsen 6 kann zur Einführung der
Kohlenwasserstoffbeschickung verwendet werden. Andererseits können diese
Düsen geeigneterweise ausgewählt werden zur Verwendung in
Abhängigkeit von den erwünschten physikalischen Eigenschaften
oder der erwünschten Art (Qualität) des hergestellten Rußes.
Die Fließgeschwindigkeit der eingeführten
Kohlenwasserstoffbeschickung kann hinsichtlich der betreffenden Düsen
(beispielsweise der betreffenden Stufen) unabhängig
voneinander eingestellt werden.
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Das bei Durchführung der Reaktion erhaltene
Reaktionsprodukt zur Herstellung von Ruß wird durch Einführung
der Kohlenwasserstoffbeschickung aus den Düsen 6 zu dem eine
hohe Temperatur aufweisenden Verbrennungsgas-Verbundstrom in
der zweiten Reaktionszone über die Verengung 2 zu der dritten
Reaktionszone 5 geführt, wo die Reaktion durch Löschen des
Produkts mit eingesprühtem Wasser aus dem Wassersprüher 7 zur
Beendigung der Reaktion beendet wird. Der Ruß wird dann durch
eine Sammelvorrichtung, wie einen Zyklon oder einen
Taschenfilter, nicht in den Zeichnungen gezeigt, gewonnen.
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Der wie vorstehend beschriebene und in den Figuren 1
bis 5 erläuterte Reaktor zur Erzeugung von Ruß ist ein
Beispiel der Ruß-erzeugenden Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen anderen
Ausführungsformen ausgeführt werden und beispielsweise zeigen
Figuren 6-1 bis 6-3 andere Ausführungsformen der
Ruß-erzeugenden Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
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In dem in Figur 6-1 gezeigten Reaktor wird ein Paar
Leitungen des eine hohe Temperatur aufweisenden
Verbrennungsgases für den tangentialen Strom bei zwei Stufen des
Aufwärtsstromes und des Abwärtsstromes bereitgestellt in
Abweichung von dem in Figur 1 gezeigten Reaktor.
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In dem in Figur 6-2 gezeigten Reaktor wird das eine
hohe Temperatur aufweisende Verbrennungsgas für den
tangentialen Strom stromabwärts der ersten Reaktionszone aus einer
Stellung mit einem größeren Durchmesser als dem
Einlaßdurchmesser der ersten Reaktionszone eingeführt und gleichzeitig
werden die Brennstoffdüsen 9 für das eine hohe Temperatur
aufweisende Verbrennungsgas für den axialen Strom in einer
Mehrheit innerhalb und außerhalb ausgelegt, in Abweichung von
dem Reaktor in Figur 1, und eine Verengung 2' wird
weggelassen.
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Der in Figur 6-3 gezeigte Reaktor wird im Gegensatz
zu Figur 1 so ausgelegt, daß der axiale Strom außerhalb
gebildet wird und der tangentiale Strom innerhalb gebildet wird
und eine Mehrheit von Brennstoffdüsen 9 für den axialen Strom
bereitgestellt wird.
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Figuren 7(a) und 7(b) zeigen zwei repräsentative
Beispiele der Form der Reaktorwand zum Zwecke der Erläuterung
der verengten Form der Reaktorwand für die Bündelung der
Reaktorzone. Wie aus den repräsentativen Beispielen (a) und (b)
hervorgeht, kann der Verengungswinkel Θ gegebenenfalls
innerhalb eines Bereichs von 10 bis 180º ausgewählt werden.
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Figur 8-1 ist eine schematische Ansicht eines
vertikalen Teilquerschnitts einer Ausführungsform, wobei die
Kohlenwasserstoffbeschickung zur Mitte des Reaktors in der
zweiten Reaktionszone eingeführt wird und Figur 8-2 ist die
Ansicht eines Querschnitts längs der Linie E-E in Figur 8-1. In
diesem Fall ist es erforderlich, einen Kühlmantel oder
dergleichen zum Schutz der Düse, für den Teil der Düse 6, die in
den Reaktor vorsteht, bereitzustellen.
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Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten mit
Bezug auf die Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
Es ist jedoch selbstverständlich, daß solche speziellen
Beispiele die vorliegende Erfindung nicht einschränken.
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Die Untersuchungen (Messungen) der physikochemischen
Eigenschaften der in diesen Beispielen offenbarten Ruße
wurden gemäß folgenden Verfahren ausgeführt.
(1) Jodadsorption
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Die Jodadsorption wird gemäß JIS K 6221-1982
gemessen.
(2) DBP-Absorption
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Die DBP-Absorption wird gemäß JIS K 6221-1982
gemessen. Hier bedeutet DBP Dibutylphthalat.
(3) Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung
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Rußproben werden in Chloroform gegeben und durch
Ultrabeschallen bei 200 kHz für 20 Minuten dispergiert. Die
dispergierte Probe wird dann auf einer Trägerfolie fixiert.
Die fixierte Probe wird mit einem Elektronenmikroskop
beobachtet und der Teilchendurchmesser als arithmetisches Mittel
und die Standardabweichung werden berechnet und in Å
ausgedrückt.
(4) Aggregatgröße und Aggregatgrößenverteilung
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Eine Tellerzentrifuge (hergestellt von Joyce Loebel
Company, UK) wird verwendet.
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Fünf mg Ruß werden zu einer 20 %-igen wässerigen
Ethanollösung, enthaltend eine geringe Menge eines
Dispergiermittels, gegeben und vollständig durch Ultraschall
dispergiert. Der mit 10 ml einer Einspritzung von
Zersprühflüssigkeit (Wasser) versehene Rotationsteller, wird auf 8000
ppm eingestellt und 0,5 ml der vorstehenden Dispersion werden
eingespritzt. Die mit photoelektrischer Photometrie
ermittelte Trübung wird als Histogramin bezüglich der Zeit
aufgezeichnet. Die häufigste Teilchengröße der
Häufigkeitsverteilungskurve, die dabei erhalten wird, wird in Å als
Aggregatgröße (Dmod) ausgedrückt und die Halbwertsbreite der
Häufigkeitsverteilungskurve wird durch mum (nm) als
Aggregatverteilung (D1/2) dargestellt.
Vergieichsbeispiel 1
Beispiele 1 und 2
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Ein Ruß-erzeugender Reaktor mit der Konstruktion, wie
in Figuren 1, 2, 3, 4 und 5 gezeigt, wird verwendet. Die
Größen
und die hauptsächlichen Teile des Reaktors waren wie
nachstehend:
(1) Erste Reaktionszone 3
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Länge: 1000 mm
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Maximaler Innendurchmesser: 450 mm
(2) Zweite Reaktionszone 4
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Länge: 1150 mm
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Innerer Durchmesser der Verengung 2: 90 mm
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Zuführungsdüsen für die Kohlenwasserstoffbeschickung:
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2 Düsen (6 C' und 6 G')
(3) Dritte Reaktionszone 5
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Innendurchmesser: 245 mm
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Verwendete Wasserbesprühung: 1 Sprüher
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Unter Verwendung des vorstehenden Ruß-erzeugenden
Reaktors, der Brennstoff wird in nachstehender Tabelle
ausgewiesen und die Kohlenwasserstoffbeschickung wird in der
nachstehenden Tabelle 2 ausgewiesen, wurde jeweils Ruß unter
Produktionsbedingungen, wie in nachstehender Tabelle 3
ausgewiesen, hergestellt. Die physikochemischen Eigenschaften jedes
so erhaltenen Rußes sind nachstehend in Tabelle 3
dargestellt.
Tabelle 1
Art des Brennstoffes: Kohlengas
Zusammensetzung (Vol.-%):
Tabelle 2
Art der Kohlenwasserstoffbeschickung: Creosotöl
Spezifische Dichte (15ºC)
Kohlenstoffgehalt (Gew.-%)
Wasserstoffgehalt (Gew.-%
Viskosität (50ºC)
Vergleichsbeispiel 2
Beispiel 3
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Unter Verwendung desselben Reaktors, wie in Beispiel
1 bis 3 verwendet, mit der Abweichung, daß als
Zuführungsdüsen für die Kohlenwasserstoffbeschickung die in Figuren 8-1
und 8-2 gezeigten Düsen verwendet wurden, wurde Ruß unter den
Bedingungen, wie ausgewiesen in Tabelle 3, hergestellt. Die
physikochemischen Eigenschaften jedes so erhaltenen Rußes
sind in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3
Vergleichsbeispiel
Beispiel
Herstellungs bedingungen
Ausbeute usw.
Eigenschaften des erhaltenen Rußes
Luftmenge zur Verbrennung (Nm³/h)
Brennstoffmenge (Nm³/h)
Axialstrom/Tangentialstrom
Mengenverhältnis an Hochtemperatureverbrennungsgas *1
Menge an Kohlenwasserstoffbeschickung (kg/h)
Kohlenwasserstoffbeschickungszuführungsstelle *2
Menge an Ruß (kg/h)
Ausbeute an Ruß (%)
Jodadsorptin (mg/g)
DBP-Absorption (ml/100 g)
Teilchengröße (mum)
Teilchengrößenverteilung (mum)
Aggregatgröße (mum)
Aggregatgrößenverteilung (mum)
*1: Verhältnis von (Luftmenge für axialen Strom + Brennstoffmenge für axialen Strom)/(Luftmenge
für tangentialen Strom + Menge an Brennstoff für tangentialen Strom)
*2: Abstand von Verengung 2 des Zuführungspunktes für die Kohlenwasserstoffbeschickung.
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Wie aus dem Vergleich von Vergleichsbeispiel 1 und
Beispielen 1 und 2 in Tabelle 1 ersichtlich, war es, obwohl
die Teilchengröße der in diesen Beispielen erhaltenen Ruße im
wesentlichen dieselbe war, wie in Beispiel 1 und 2, möglich,
Ruße herzustellen mit den Teilchengrößenverteilungen, die
stark vom Vergleichsbeispiel 1 unterschiedlich waren und
Ausbeuten an Rußen, die beträchtlich höher waren in den
Beispielen 1 und 2 als in Vergleichsbeispiel 1.
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Des weiteren ist aus dem Vergleichsbeispiel 2 und
Beispiel 3 ersichtlich, daß ungeachtet der Teilchengröße und
der Teilchengrößenverteilung, die im wesentlichen dieselben
waren, es in Beispiel 3 möglich ist, einen Ruß herzustellen
mit im wesentlichen unterschiedlicher Aggregatgröße und
Aggregatgrößenverteilung und die Ausbeute an Ruß in Beispiel 3
wesentlich höher als in Vergleichsbeispiel 2 zu gestalten.
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Wie vorstehend beschrieben, ist es gemäß der
Erfindung möglich, wahlweise und leicht die physikalischen
Eigenschaften des erhaltenen Rußes zu steuern, insbesondere
die Teilchengröße, die Teilchengrößenverteilung, die
Aggregatgröße und die Aggregatgrößenverteilung, als die
Grundeigenschaften des Rußes, und Ruße mit verschiedenen
physikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der
Verwendung und in guter Ausbeute herzustellen.