-
Verfahren zum Behandeln von Ofenruß In der britischen Patentschrift
673 401 ist ein Verfahren zur Änderung der Oberflächenaktivität von Ofenruß beschrieben.
Gemäß jenem Verfahren wird Luft in Berührung mit dem Ofenruß über diesen geleitet,
während er gleichmäßig auf eine Temperatur unter Rotglut, unter der Zündtemperatur
des Ofenrußes, aber nicht unter etwa 343° erhitzt wird, bis die Oberfläche der Rußteilchen
vollständig oxydiert ist; anschließend wird der anfallende Ruß einer Entaktivierung
durch Er-?iitzen in einer nicht oxydierenden Atmosphäre bei einer Temperatur im
Bereich von etwa 98o bis 110o° unterworfen, bis ein wesentlicher Teil des während
der Vorstufe an der Rußoberfläche adsorbierten Sauerstoffs abgetrieben ist.
-
Das dort beschriebene Verfahren besitzt mehrere Nachteile. An erster
Stelle ist es ein Zweistufenverfahren, das die Verwendung verschiedener Atmosphären
und verschiedener Temperaturbedingungen in den jeweiligen Stufen benötigt. Zweitens
müssen die Arbeitsbedingungen, insbesondere in der Vorstufe, sorgsam geregelt werden,
um eine
örtliche Überhitzung des Kohlenstoffs zu vermeiden. Weiter
ist das Verfahren verhältnismäßig langsam und zeitraubend.
-
Die vorliegende Erfindung sieht ein verbessertes Verfahren vor, nach
dem jeder der oben angegebenen Nachteile des Zweistufenverfahrens entweder weitgehend
oder vollständig vermieden wird.
-
Ein erstes Ziel des vorerwähnten Zweistufenv erfahrens ist es, die
Adsorptionsfähigkeit von Ofenruß zu erhöhen. Als Ergebnis dieses Verfahrens kann
man Ofenruße mit einem ABC-Farbindex im Bereich von 95 bis 175, mit einem Öladsorptionswert
' (steife Paste) im Bereich von 42 bis 3,0 cms je ioo g und mit einem Jod'adsorptionswert
von 25o bis 350 Äquivalenten X io-5 je Gramm herstellen. Wenn es auch nicht
immer gelingt, solche außergewöhnlichen Werte durch das. vorliegende, neue Verfahren
zu erreichen, konnten doch bemerkenswerte Änderungen in den Bußeigenschaften in
den angegebenen Richtungen erhalten werden.
-
Wenn auch nicht beabsichtigt ist; sich an irgendeine Theorie für den
Mechanismus zu binden, durch den diese Bußeigenschaften so drastisch verändert werden,
mag dennoch eine Theorie dazu helfen, ein klareres Verständnis der Erfindung zu
erhalten.
-
Es scheint zur Zeit, daß in der Vorstufe des vorgenannten Zweistufenverfahrens
die äußeren Oberflächen der Kohlenstoffteilchen unter Bildung von Oxyden oder Carboxylgruppen
auf den Oberflächen der Kohle oxydiert werden, ohne daß tatsächlich der Kohlenstoff
verbrennt. Durch die Behandlung bleiben die mittleren Durchmesser, wie durch das
Elektronenmikroskop festgestellt wurde, im wesentlichen unverändert. Durch die zweite
Stufe des Verfahrens werden diese sauerstoffhaltigen Gruppen abgetrieben, aber indem
sie sich selbst von der Oberfläche der Kohlenstoffteilchen lösen, scheint der Sauerstoff
ein Kohlenstoffatom mitzunehmen, wodurch eine kleine Vertiefung in der Oberfläche
der Kohlenstoffteilchen zurückbleibt.
-
Es wurde festgestellt, daß, wenn ein Ruß in heißen Ofenabgasen, die
nur eine verhältnismäßig kleine Menge, etwa o, z bis 2 Volumprozent, freien Sauerstoff
enthalten, suspendiert und sehr kurze Zeit Temperaturen von etwa z ioo bis 137o°
unterworfen wird, die beiden oben beschriebenen Reaktionen sehr schnell und gleichzeitig
verlaufen zu scheinen. Es scheint, daß unter diesen Bedingungen ein angenäherter
Gleichgewichtszustand erreicht wird, daß die Aktivierung und Entaktivierung der
Bußoberfläche gleichzeitig und -mit gleichen Geschwindigkeiten nebeneinander ablaufen,
so daß sehr schnell ein sehr wesentlicher Anstieg der Adsorptionsfähigkeit des Kohlenstoffs
mit einem Mindestmaß an Wartung und in einer einzigen Arbeitsstufe erzielt wird.
-
Gegründet auf diese Feststellung wird der Ruß nach der vorliegenden
Erfindung Temperaturen im Gebiet von etwa zzoo bis 1370°, vorzugsweise von etwa
226o bis 137o°, unterworfen, während er in Feuerungsgasen suspendiert ist, in denen
die Konzentration an freiem Sauerstoff im Bereich von o,z bis 2 Volumprozent, vorzugsweise
nicht über 1 Volumprozent, liegt.
-
Die Ofengase, in denen der Ruß suspendiert ist, können mit Vorteil
die Abgase eines Ofens zur Herstellung von Ofenruß sein oder aus der Zone eines
solchen Ofens stammen, in dem die Ofenrußteilchen gebildet werden. Es sei jedoch
verstanden, daß auch Gase ähnlicher Zusammensetzung als gasförmiges Medium, in dem
der Ruß suspendiert ist, während er. einer Erhitzung unterliegt, verwendet werden
können.
-
Zum Beispiel werden hervorragende Ergebnisse erhalten, wenn etwa 5
Volumprozent Luft gleichmäßig mit den Ofengasen vermischt werden, die aus der Verbrennung
und Zersetzung von Kohlenwasserstoffgin mit zur vollständigen Verbrennung unzureichender
Luft stammen, wobei die Volumina von Luft und Ofengasen selbstverständlich bei gleicher
Temperatur berechnet werden müssen. Für optimale Bedingungen soll die Konzentration
an freiem Sauerstoff in den Ofengasen ungefähr i Volumprozent betragen.
-
Bei Konzentrationen von freiem Sauerstoff über 2 % ist seine Neigung
für die Oxydation vorhanden, in einem solchen Ausmaß zu verlaufen, daß ohne die
gewünschte Entaktivierung übermäßig viel Kohlenstoff verbraucht wird. Beträgt die
Konzentration an freiem Sauerstoff wesentlich weniger als 1 °/o, scheinen die Geschwindigkeit
und das Ausmaß der Oberflächenoxydation stark verzögert zu werden.
-
Die Ofengase enthalten normalerweise beträchtliche Mengen Wasserstoff,
der mit dem freien Sauerstoff reagiert. Daher steht nicht aller freier Sauerstoff,-
der in der stromabwärts gelegenen Ofenzone vorhanden ist, notwendigerweise für die
Reaktion mit dem Kohlenstoff zur Verfügung. Wenn aber wenig oder kein Wasserstoff
vorhanden ist, soll die Menge des freien Sauerstoffs gewöhnlich etwa 1 Volumprozent
nicht überschreiten.
-
Gemäß einer besonders wünschenswerten Ausführungsform der Erfindung
kann der Ofenruß in Übereinstimmung hiermit in einer Zone der Ofenkammer behandelt
werden, die unmittelbar der Zone folgt, in der die Bußteilchen entstehen. Das Verfahren
sei daher im einzelnen beschrieben und erläutert im Hinblick auf diese besondere
Arbeitsweise, da sie durchgeführt werden kann in einem Ofen, wie er üblicherweise
und etwas schematisch in der Zeichnung dargestellt ist.
-
Fig. i der Zeichnung ist ein Längsschnitt der Vorrichtung, zum Teil
in abgebrochnen' Stücken; Fig. 2 ist ein Querschnitt der Vorrichtung entlang der
Linie 2-2 der Fig. 1.
-
Die Vorrichtung besteht aus einer langgestreckten zylindrischen Retorte
oder Reaktionskammer 1, die mit feuerfesten Steinen :2 ausgekleidet ist. Die Schicht
der feuerfesten Steine ist von zwei äußeren Lagen 3 und q. aus wärmeisolierendem
Material umgeben, die alle in einem zylindrischen Mantel 5 aus Metallblech eingebaut
sind. Am vorderen Ende
der zylindrischen Retorte befindet sich ein
Gebläsebrenner mit dem Brennerblock 6 aus feuerfestem, keramischem Material, das
mit einer Vielzahl von glockenförmigen Gebläseöffnungen 7 versehen ist. Der Brennerblock
hat solche Ausmaße, daß er in das vordere Ende der zylindrischen Kammer hineinpaßt
und an dieser durch übliche Mittel befestigt ist. Die Außenfläche des Brennerblocks
ist von dem Windkasten 8 umgeben, dem die Verbrennungsluft durch die Leitung 9 zugeführt
wird.
-
Jede der Gebläseöffnungen 7 ist am Außenende mit einem glockenförmigen
Rohrteil io versehen. Die Luft, die dem Windkasten unter Druck zugeführt wird, wird
durch alle Gebläseöffnungen 7 hindurchgedrückt. Das unter Druck durch die Leitung
ii und den Verteiler 12 zugeführte Brenngas wird in die einzelnen, durch die Gebläseöffnungen
strömenden Luftströme mit Hilfe der Brennstoffdüsen 13 eingespritzt. Auf
diese Weise wird das brennbare Gemisch in das Ende der Reaktionskammer eingeblasen
und unter Bildung eines hochturbulenten Stromes heißer Gebläseflammen und Gase gezündet.
-
Der zu Ruß zu zersetzende Kohlenwasserstoff wird durch die Leitung
14 dem Wirbelrohr 15 unter Druck zugeführt und unter Druck durch die Vergasereinspritzrohre
16 in den turbulenten Gebläsegasstrom eingespritzt. Auf Grund der aus den heißen
Flammengasen absorbierten Wärme wird der so eingespritzte Kohlenwasserstoff unter_t'iT-dung
von Ruß in Suspension in den heißen. Ofengasen zersetzt, und die Suspension strömt
vom stromab gelegenen Ende der Kammer i durch die zylindrische Kammer 17 und von
dort zum Kühl-und Abscheideapparat, wie aus der Technik bekannt ist. Die Kühlung
der heißen Suspension kann in der Kammer 17 mit Hilfe von Wassersprühdüsen, wie
schematisch bei 18 gezeigt, erfolgen, die in Abständen entlang der Kammer angeordnet
sind.
-
In der gezeigten Vorrichtung besitzt die Reaktionskammer i zylindrischen
Querschnitt. Es sei jedoch verstanden, daß die Erfindung auch auf Arbeitsweisen
anwendbar ist, bei denen rechteckige oder andere polygonale Kammern verwendet werden.
Einzelheiten des Betriebes und der- Bauweise können im wesentlichen so sein, wie
sie in der USA.-Patentschrift 2440424 von Wiegand und B r a n d 1e beschrieben sind,
ausgenommen wie später angegeben.
-
Bei der speziellen Arbeitsweise, wie sie -in der eben erwähnten Patentschrift
beschrieben ist, ist das Verhältnis-von Brennstoffgas zu Luft in dem Gebläsegemisch
derart, daß eine oxydierende Gebläseflamme resultiert. Die Sauerstoffmenge ist jedoch
wesentlich geringer als diejenige, die erforderlich wäre, um sowohl dag Brenngas
als auch den vergasten, zu verrußenden Kohlenwasserstoff zu verbrennen. Bei normalem
Betrieb werden die oxydierenden Gebläseflammengase schnell gleichmäßig mit dem aus
Kohlenwasserstoff hergestellten Gas gemischt, so daß jeder freie Sauerstoff durch
Reaktion mit dem zu verrußenden Gas verbraucht wird, bevor irgendwelcher Kohlenstoff
freigesetzt wird, und hieraus folgt, daß am stromab gelegenen Ende kein freier Sauerstoff
vorhanden sein kann.
-
Das vorliegende Verfahren ist von dem der genannten Patentschrift
dadurch grundsätzlich verschieden, daß die bereits angegebene Konzentration an freiem
Sauerstoff stromabwärts von der Zone, in der der Ruß entsteht, in einer Zone aufrechterhalten
wird, bei der der Ruß noch auf reaktionsfähiger Temperatur sich befindet.
-
Der spezielle Weg, auf den diese Konzentration an freiem Sauerstoff
aufrechterhalten wird, ist nicht von besonderer Wichtigkeit, solange nur homogene
Bedingungen in der stromab liegenden Zone aufrechterhalten werden, wobei alle örtlich
höheren Konzentrationen von Sauerstoff vermieden werden.
-
Er' kann in die genannte, stromabwärts von der Zone der Kohlenstoffbildun:g
liegende Zone getrennt eingespritzt werden. Dabei muß aber besondere Vorsorge getroffen
werden, um eine gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffs zu bewirken und eine örtliche
Abkühlung der Suspension unter seine Reaktionstemperatur zu vermeiden. Ein erprobtes
Verfahren, das besondere Vorteile. bietet, besteht darin, daß der Massengeschwindigkeit
des Gases des zu verrußenden Ausgangsmaterials, das in die Kammer i durch die Einspritzrohre
16 eingespritzt wird, gegenüber der Massengeschwindigkeit der Gebläseflammengase
derart geregelt wird, daß die einander entgegengerichteten Einzelströme des zu verrußenden
Gases einander nicht treffen, d. h., d'aß ein Kernstrom aus oxydierenden Flammengasen
erhalten bleibt, die nicht sofort mit dem zu verrußenden Gas vermischt werden, bevor
das letztgenannte unter Bildung von Rußteilchen in Suspension zersetzt wurde.
-
Das vorstehend Geschilderte ist ein besonders wünschenswertes Verfahren
zur Zuführung der erforderlichen Menge freien Sauerstoffs in die stromab liegende
Zone, da sie hierdurch ohne Schwierigkeit auf Grund der Temperaturunterschiede und
ohne Einführung von Luft oder anderen verhältnismäßig konzentrierten Gemischen von
freiem Sauerstoff in die stromabwärts gelegene Zone erreicht werden kann. Die Gebläsegase,
die gezwungen sind, einen Kanal durch die Zone der Kohlenstofffreisetzung zu bilden,
werden in den hinteren Zonen der Kammer schnell mit der Suspension vermischt.
-
Die Bemessung der Menge des so kanalisiert zu der stromabwärts gelegenen
Zone geführten freien Sauerstoffs hängt natürlich von dem Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis
und vom Volumen der Flammengase, die kanalartig durch die Zone der Kohlenstoffabscheidung
geführt werden, ab. Die optimalen Arbeitsbedingungen zur Aufrechterhaltung der freien
Sauerstoffkonzentration hängen, zum mindesten im großen Ausmaß, von der im Einzelfall
verwendeten Vorrichtung ab.
-
Wie oben angegeben, kann die Menge der Flammengase, die kanalartig
durch die Zone der Rußbildung geführt wird, durch Regelung der relativen Massengeschwindigkeiten
der Flammengase
und des Gasstromes aus dem zu verrußenden Kohlenwasserstoff,
der in den Gebläsegasstrom eingespritzt wird, eingestellt werden. Auf diese Weise
kann die Hindurchführung des Gasstromes variiert werden, wie in der USA.-Patentschrift
2 597:232 beschrieben ist, so däß der Gasstrom des zu verrußenden Kohlenwasserstoffs
sich an der ,chse einer Kammer mit Zylinderquerschnitt trifft oder an der senkrechten
Mittellinie einer Kammer von rechteckigem Querschnitt bei Einspritzung des zu verrußenden
Gases durch Seitenströme. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird jedoch das Eindringen der zu verrußenden Gasströme so gesteuert, daß die einander
gegenüberliegenden Ströme einander nicht treffen und somit einen Kanal frei lassen,
durch den sauerstoffhaltige Flammengase hindurch gelangen können, ohne gleichförmig
mit den eindringenden, zu verrußenden Kohlenwasserstoffströmen vermischt zu werden.
-
Die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung erforderlichen Massengeschwindigkeiten
hängen natürlich vom Ofendurchmesser oder von der Ofenweite und vom Durchmesser
der zu verrußenden Gasströme ab, wie es eingehender in der eben erwähnten Patentschrift
beschrieben ist. Zum Beispiel kann bei einer verhältnismäßig engen, etwa i1/2 Fuß
breiten Reaktionskammer, und bei Verwendung von Gaseinspritzrohren von 1/4 bis 3/4
Zoll innerem Durchmesser das Verhältnis der Massengeschwindigkeit des Ausgangsgases
zur Massengeschwindigkeit der Flammengase mit Vorteil weniger als 3 zu i betragen.
-
Wie oben bemerkt, verläuft die- gewünschte Reaktion sehr schnell und
vollständig. Daher ist die Zeitdauer sehr kurz, gewöhnlich nicht über o,5 Sekunden,
aber mindestens etwa o,i Sekunde. Zeit und Temperatur sind in großem Maße voneinander
abhängig, aber bei den normalerweise bei einem Verfahren der hier im einzelnen beschriebenen
Art in Betracht kommenden Temperaturen überschreitet die Zeit gewöhnlich nicht o,2
Sekunden. An Stelle den Ruß zu behandeln, während er sich in der Ausgangssuspension
befindet, kann der Ruß abgetrennt und gesammelt und hernach in gasförmigen Verbrennungsprodukten
oder einem anderen geeigneten Behandlungsgas wieder suspendiert und in diesem unter
den hier beschriebenen Bedingungen behandelt werden.