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Ofen und Verfahren zur Herstellung von Ruß Die Erfindung bezieht sich
auf einen Ofen und ein Verfahren zur Herstellung von Ruß. Die Erfindung richtet
sich außerdem auf einen mit flüssigem Brennstoff betriebenen Brenner zur Zuführung
der erforderlichen Wärme.
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Es wurde bereits ein Verfahren zur Herstellung von Ruß und eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen, bei dem der Kohlenwasserstoff
als Sprühstrahl oder Dampf am Rand in die Brenner eingeführt wird.
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Die Erfindung richtet sich auf einen verbesserten Brenner zur Verbrennung
des flüssigen, am Rand eingeführten Brennstoffes für solche oder ähnliche Verfahren
und Öfen.
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Ziel der Erfindung ist demnach ein verbesserter Rußofen. Ein weiteres
Ziel ist ein verbesserter Ölbrenner für einen Rußofen.
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Schließlich richtet sich die Erfindung auf ein verbessertes Verfahren
zur Rußherstellung. Zahlreiche andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich
für den Fachmann aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Letztere
zeigen in Fig. i eine schematische Darstellung einer Rußherstellungsanlage nach
der Erfindung, Fig.2 einen Schnitt durch den Ofen nach Fig. i, Fig. 3 im wesentlichen
einen Querschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 2 in Pfeilrichtung, Fig. q. einen
vergrößerten Schnitt durch einen Ölbrenner,
Fig. 5 einen Schnitt
längs der Linie 5-5 der Fig. 4, Fig.6 einen Schnitt längs derLinie 6-6 der Fig.7
durch eine ölbrennerdüse, die vorzugsweise in der Ausführungsform nach Fig. i Verwendung
findet; Fig. 6 zeigt dabei einen Schnitt durch die Fig. 7, Fig. 7 einen Schnitt
durch die Brennerdüse nach Fig. 6 längs der Linie 7-7, Fig. 8 eine schematische
Darstellung der Theorie des Vorganges bei einer Ausführungsform nach der Erfindung,
Fig. 9 eine schematische Darstellung der Theorie des Vorganges bei einer abgeänderten
Ausführungsform nach der Erfindung.
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Der Rußofen i i nach Fig. i ist besonders zur Herstellung von Ruß
aus kohlenstoffhaltigen Reaktionsstoffen, vorzugsweise dem in einem Öltank 12 befindlichen
Gasöl, bestimmt. Der Reaktionskohlenwasserstoff aus dem Tank 12 wird von einer Pumpe
13 durch die Leitung 14 in den Verdampfer 16 gefördert, in dem er verdampft wird.
Der verdampfte Reaktionskohlenwasserstoff gelangt durch die durch ein Ventil 18
regelbare Leitung i7 zu einem Kohlenwasserstoffinjektor i9, der diesen Kohlenwasserstoff
in axialem Strom in eine Kammer 57 (vgl. Fig. 2) des Ofens i i entlädt. Um diesen
axial sich bewegenden Kohlenwasserstoff zwecks Umwandlung in Ruß durch eine dem
Kracken ähnliche, pyrochemische Reaktion zu erhitzen, wird er im Ofen i i durch
flüssigen Brennstoff erhitzt. Der flüssige Brennstoff kann vom Tank 21 oder ebenfalls
vom Tank 12 kommen, braucht aber nicht dieselbe Qualität zu haben und kann auch
irgendein anderer flüssiger Brennstoff, beispielsweise ein billiges Brennstofföl,
sein.
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Zweckmäßig wird der Ruß aus einem Gasöl hergestellt, das aus einem
Krackprozeß stammt und ein spezifisches Gewicht von o,go bis o,96 sowie einen Endpunkt
von 6oo bis 8oo aufweist.
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Der flüssige Brennstoff kommt vorzugsweise vom Tank 21 und wird durch
eine Pumpe 22 durch die Leitung 23 mit Ventil 24 nach oben gepumpt und erhitzt den
Verdampfer 16, während ein anderer Teil dieses Brennstoffes durch die über das Ventil
27 regelbare Leitung 26 in einen Ölbrenner 28 gepumpt wird. Dort wird er verdampft
und/oder verbrannt und liefert die Wärme für die pyrochemische, dem Kracken ähnliche
Reaktion in den Kammern 57 und 58 (vgl. Fig. 2), wo der Ruß aus den vom Tank 12
kommenden Reaktionsgasen gebildet wird. Der Verdampfer 16 kann jedoch auch von einer
getrennten Quelle beheizt werden oder unbeheizt bleiben, wobei er dann nicht als
Verdampfer wirkt und das Öl unmittelbar aus der Leitung i9 in die Kammer 57 eingespritzt
wird. Die Leitung i9 kann in diesem Fall mit einer Ölsprühdüse63 versehen «-erden,
wie sie im einzelnen in Fig. 6 dargestellt ist.
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Zur besseren Erwärmung bei der Reaktion im Ofen i i ist es notwendig,
sauerstoffhaltiges Gas in den Ofen i i einzuleiten, das im allgemeinen aus durch
die Leitung 29 kommender Luft besteht. Diese Luft kann durch den Kompressor 31 kOmprimiert
und durch die Leitung 32, 33, 34 und 35 mit ihren Ventilen 36, 37 bzw. 38 geleitet
werden.
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Während normalerweise Luft als sauerstoffhaltiges Gas Verwendung findet,
ist es manchmal zweckmäßig, besonders wenn das Abgas 39 als Synthesegas für die
Herstellung anderer synthetischer Verbindungen Verwendung finden soll, statt Luft
Sauerstoff oder Gemische aus Sauerstoff und anderen Gasen (außer Stickstoff) in
der Leitung 29 zu verwenden.
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Im allgemeinen führt man durch die Leitung 33 nur sehr wenig Luft
oder sauerstoffhaltiges Gas zu, da der einzige Zweck der Zuführung an dieser Stelle
darin besteht, die Kohlenstoffniederschläge auf dem Kohlenwasserstoffinjektor i9,
gegebenenfalls durch Entladung eines geringen ringförmigen Stromes von der umgebenden
Leitung 41, zu beseitigen oder zu vermeiden. Diese geringe Zuführung sauerstoffhaltigen
Gases kann in manchen Fällen durch Schließen des Ventils 36 ohne Unterbrechung des
Verfahrens dauernd oder wenigstens über längere Zeiträume abgeschaltet werden. Unter
sauerstoffhaltigem Gas soll ein Gas verstanden werden, das unter den Reaktionsbedingungen
im Ofen i i Sauerstoff in freier oder gebundener Form enthält.
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Der Reaktionskohlenwasserstoff wird durch den Flüssigkeitsbrenner
28 im Ofen i i erhitzt und zu Ruß gekrackt, der als Rauch in den Kühler 42 gelangt.
Um die Reaktion mit einer maximalen Menge unverbrannten Rußes verlaufen zu lassen,
muß dieser Rauch im Kühler 42 unter 65o bis 67o° abgeschreckt werden, was durch
ein oder mehrere Kühlverfahren einzeln oder in Kombination erfolgen kann. Vorzugsweise
wird Wasser von einem Tank 43 durch eine Pumpe 4.4 über eine Leitung 46 in die Leitungen
47 und 48 gepumpt, in denen die Ventile 4g und 5 i liegen. Der Rauch kommt dabei
im Kühler 42 in indirekten Wärmeaustausch mit dem von der Zuleitung 48 durch den
Kühlwasserdurchfluß im Kühler 42 strömenden Wasser. das erwärmt aus der Leitung
52 austritt. Das Wasser jedoch, das durch die Leitung 47 strömt, wird innerhalb
des Kühlers durch eine Sprühdüse 53 unmittelbar in den Rauch gesprüht und verdampft
dabei. Es kann in Dampfform zusammen mit den übrigen Abgasen durch die Leitung 39
entweichen.
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Daneben erfolgt noch eine gewisse atmosphärische Kühlung durch indirekten
Wärmeaustausch mit der Luft in der Rauchleitung 54 und in einem beliebigen, der
Trennung von Gas und Festkörpern dienenden Abscheidesystem 56. Das Kühlsystem 42
kann allein direkte Wasserabschreckung 53, allein indirekte Wasserkühlung 48-52
oder allein atmosphärische Kühlung 5.4 oder eine beliebige Kombination von zwei
oder allen drei Maßnahmen anwenden, obwohl es natürlich schwierig ist, erforderlichenfalls
die atmosphärische Kühlung bei 54 oder 56 völlig zu vermeiden. In jedem Fall sollten
die Abgase bei 39 oder der Ruß in 56 vor dem Erreichen der Atmosphäre Temperaturen
aufweisen,
bei denen eine schnelle Verbindung mit Sauerstoff nicht
eintritt.
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Die Trennvorrichtung für Gas und Festkörper kann übliche Sackfilter,
elektrische Abscheider, Zyklonabscheider od. dgl. oder eine Kombination dieser bekannten
Vorrichtungen enthalten.
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Das Innere des Ofens i i ist in Fig. 2 dargestellt, und obwohl man
vorzugsweise einen Ofen mit einem kürzeren Tei157 verwendet, dessen Durchmesser
größer als seine Länge ist und der an einen zylindrischen Tei158, dessen Länge größer
als sein Durchmesser ist, anschließt, lassen sich auch brauchbare, wirtschaftliche
Ergebnisse mit einem Ofen erzielen, der eine durchgehend zylindrische Kammer 59,
wie nach Fig. 8 und 9, aufweist.
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Der Rußofen i i nach Fig. i besteht aus einer runden Ofenkammer 57
(vgl. Fig. 2), wobei ein Kohlenwasserstoffinjektor i9 einen Strom von Kohlerrwasserstoffen
axial in die Kammer entlädt. Ein mit 28 bezeichneter Ölbrenner gibt heiße Gase in
die Kammer ab. Ein Querschnitt der Anlage ist in Fig. 3 dargestellt.
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Der Ölbrenner 28 enthält (vgl. Fig. 4) ein Rohr 61 mit einem offenen
Auslaß 62, der in die Kammer 57 mündet, wobei die Längsachse des Rohres 61 tangential
zur anschließenden Innenwandung der Kammer 57 angeordnet ist. Der Ölbrenner enthält
einen Ölsprühinjektor 63 an einer ÜlzuführungsleitUng 26 in der Längsachse des Rohres
61, wo die Leitung 26 gegebenenfalls durch geeignete Abstützungen 64 gehalten wird.
Der Ölsprühinjektor 63 entlädt einen Ölstrahl aus flüssigem Brennstoff axial im
Endstück des Rohres 61. Ein Luftinjektor 34 ist mit dem Rohr 61 so verbunden, daß
er die Luft in das Rohr tangential zur anschließenden Innenwandung des Rohres 61
entlädt. Gegebenenfalls können mehrere Ölbrenner 28 Verwendung finden, und diese
können eine Anzahl von Luftzuführungsleitungen 34 und 35 aufweisen. Solche Verdoppelungen
der Teile sind vorzuziehen, da sie gewisse Vorteile bei der Stabilisierung der Betriebsbedingungen
des Ofens bieten; sie sind jedoch zur Erreichung eines gewissen wirtschaftlichen
Erfolges nicht notwendig.
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Wie aus Fig. 4 hervorgeht, hat das Rohr 61 vorzugsweise einen erweiterten
Teil 66 zur Aufnahme derLuftleitungen34, obwohl auchRohre61 (mit66) mit gleichmäßigem
Durchmesser verwendet werden können, wie es durch die entsprechenden Rohre 67 und
67A in Fig. 8 bzw. 9 angedeutet ist.
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Das Rohr 61 ist vorzugsweise innen bei 68 an seinem Auslaßende abgeschrägt,
obwohl sich wertvolle Ergebnisse auch ohne eine solche Abschrägung erzielen lassen.
Das Rohr 61 wird in der Wandung des Ofens i i durch geeignete Mittel gehalten, dabei
sind die Konstruktionsmaterialien des Ofens i i und des Brenners 28 nicht kritisch.
Der Ofen i i ist vorzugsweise mit einem feuerfesten Material ausgekleidet.
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Zur Ersparung von Materialkosten braucht nicht überall das verwendete
Material feuerfest zu sein, sondern kann, wie bei 71, nur aus Isoliermaterial bestehen.
Gewöhnlich deckt man das Äußere solcher Ofen mit einer :Metallage 72 ab, die jedoch
auch weggelassen werden kann. Ist eine Metallage 72 vorhanden, so befestigt man
an ihr den Brenner 28 vorzugsweise durch eine Flanschverbindung 73.
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Der Ölsprühinjektor 63 ist am Ende der Ölzuführungsleitung 26 montiert,
und zu seiner Einstellung kann eine Stopfbüchse 74 mit einer Faserdichtscheibe 76
vorgesehen sein. Die Leitung 26 kann durch den daran angeschweißten Flansch 77 und
durch Muttern 78 auf einem Stift 79 am Äußeren der Kammer 66 eingestellt und gehalten
werden. Wenn auch jede Art von Sprühkopf 63 Verwendung finden kann, so ist doch
in Fig. 6 eine bevorzugte Ausführungsform desselben dargestellt, der, obwohl er
nicht mit Gegenstand der Erfindung ist, ein bevorzugtes Element der erfindungsgemäßen
Kombination darstellt. Der Kopf 63 weist Außengewinde 81 zum Eingriff in das Innengewinde
im Ende der Leitung 26 oder andere Verbindungsmöglichkeiten auf. Der Ventilsitz
82 ist vorzugsweise abnehmbar im Kopf 63 befestigt, und der Ölstrom durch dieses
Ventil wird durch ein mittels Federdruck geschlossenes Rückschlagventil gesteuert.
Die Federhalterung 84 ist ebenfalls vorzugsweise herausnehmbar, um den Kopf 63 reinigen
zu können, und weist Bohrungen 86 für den Durchtritt des Brennstoffes auf. Die Bohrungen
86 können mit einem zylindrischen Drahtgitter 87 zur Verhinderung des Durchtritts
von Fremdkörpern in die Durchlässe 96 versehen sein, die einen geringeren Durchmesser
aufweisen und daher leicht verstopft und verschlossen werden könnten. Der Durchlaß
86 führt in eine ringförmige Rinne 88, um die Fläche des Gitters 87 zu vergrößern.
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Die Schraube 84 hält den geflanschten Hülsennippel 89 in der Öffnung
9i des Körpers 63, während die Platte 92 und die gewölbte Fläche 93 eine geringfügige
Bewegung und Selbsteinstellung der Hülse 89 im Kopf 63 erlauben, um den Flüssigkeitsdurchtritt
herabzusetzen. Der Nippel 89 weist eine Mittelbohrung94 auf, die mit den tangentialen
Durchlässen 96 nach Fig. 7 in Verbindung steht.
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In Fig. 4 sind bevorzugte Abmessungen für den Brenner 28 angegeben.
Der Brenner ergibt die besten Resultate, wenn folgende Beziehungen der Abmessungen
eingehalten werden: A >C
D >A
B>_2A C<G<4C o,3C<F<o,7C 135':29
H'< 16o°. In Fig.8 ist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung bezüglich
der Drehrichtung der verschiedenen Elemente dargestellt, obwohl bezüglich der Ofenkammerform
die in den Fig. i bis 7 dargestellte Ausführungsform bevorzugt wird.
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Nach Fig. 8 hat die Ofenkammer 59 einheitlichen Durchmesser und weist
einen Brennerkörper 67 mit ebenfalls einheitlichem Durchmesser auf. Die Luft
kommt
durch die Leitung 34, und das Öl wird aus dem Sprühkopf 63 versprüht, wobei die
Pfeile die entsprechenden Bewegungs- bzw. Drehrichtungen anzeigen.
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In Fig. 9 unterscheiden sich die Einführungs-bzw. Drehrichtungen des
Ölstrahles 63A und des Ölbrenners 67A bezüglich der Ofenkammer 59A von den Richtungen
nach Fig. 8, was zu einer anderen Turbulenz der Gase im Ofen führt.
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Aus Fig.8 ist ersichtlich, daß sich der Reaktionskohlenwasserstoff,
wie durch den Pfeil i9 angedeutet, in Form eines Zylinders ioi, wenigstens im ersten
Teil des Ofens 59, bewegt. Die Luft aus der Leitung 34 tritt in Richtung des Pfeiles
i02 in den Körper 67 ein, w o sie in Richtung der Pfeile 103 rotiert. Der Ölstrahl,
der aus dem Kopf 63 kommt, tritt in den gezeichneten tangentialen Richtungen ein
und verstärkt die Drehbewegung in der Richtung der Pfeile 103, da der Ölstrahiinjektor
61 (vgl. Fig. 3) das Öl mit einer beträchtlichen Rotationskomponente in die Drehrichtung
der Luft 103 entlädt. Die durch den Pfeil 104. in der Nähe des Stromes ioi angedeutete
Drehrichtung ist derart, daß der Ölbrenner die heißen Gase mit einer im wesentlichen
derart rotierenden Bewegungskomponente entlädt, daß der mit dem axialen Strom des
Kohlenwasserstoffes in Berührung kommende Teil der rotierenden heißen Gase sich
vorzugsweise entgegengesetzt zu diesem axialen Strom bewegt, was zu einer vermehrten
Turbulenz im Ofen und zu einer verbesserten Durchmischung führt. Das Ergebnis ist
ein Ruß, der den Gummi, dem er beigemengt wird, besser verstärkt. Der Zylinder ioi
wird aufgebrochen und mengt sich bald mit der schraubenförmigen Schicht 97, und
die gesamte Masse rotiert zusammen mit beträchtlicher Turbulenz.
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Dabei werden durch die Hitze der Dämpfe oder in manchen Fällen der
feinversprühte flüssige Kohlenwasserstoff ioi gekrackt, und es bildet sich ein rußhaltiger
Rauch, der (vgl. Fig. z und 2) im Kühler 42 gekühlt wird. Der Ruß wird im Abscheider
56 abgeschieden. Obwohl man vorzugsweise mit der Lufteinführungsrichtung nach Fig.
8 arbeitet, ist es manchmal wünschenswert, die Turbulenz im Ofen herabzusetzen.
Dies kann teilweise dadurch erreicht werden, daß man nach Fig.9 arbeitet, wobei
die Drehrichtung 103A der heißen Gase derart ist, daß der die axial sich bewegenden
Gase 19A enthaltende Teil bei 97A in der gleichen Richtung wie die axial sich bewegenden
Gase verläuft. Dies führt zu einer teilweisen Herabsetzung der Turbulenz.
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Andererseits kann man die Turbulenz dadurch herabsetzen, daß man die
Zufuhrrichtung des Ölstrahles vom Kopf 63A in Richtung der Luftzufuhr 103A nach
Fig.9 umkehrt. Es dürfte nicht notwendig sein, diese Vorgänge in vier getrennten
Figuren darzustellen, da es klar ist, daß beide Drehrichtungen 63 oder 63A in Fig.
8 bzw. 9 verwendet werden können.
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Eine verstärkte Turbulenz führt zu einer schnelleren Verbrennung des
Reaktionskohlenwasserstoffes mit dem Ergebnis, daß weniger Ruß erzeugt wird. Dieser
Ruß hat jedoch bessere Verstärkungseigenschaften für Gummi und gibt diesem eine
größere Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung. Es sollen beide bevorzugte Drehrichtungen
und diejenigen, die zu verschiedenen Ergebnissen führen, als beansprucht gelten,
obwohl nur allgemeine Ansprüche aufgestellt sind.
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Während eine Anzahl besonderer Ausführungsbeispiele nach der Erfindung
zur Erläuterung dargestellt und beschrieben ist, ist es klar, daß die Erfindung
nicht darauf beschränkt ist und daß verschiedene Abänderungen bei den beschriebenen
Ausführungsformen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.