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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 19. April 1950 Bekanntgemacht am 7. Juni 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Ruß, insbesondere aus flüssigen Kohlenwasserstoffen.

• Die verschiedenen Rußarten werden nach den zu ihrer Herstellung verwendeten Kohlenwasserstoffen unterschieden. Ruß aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen heißt »Gasruß«, aus flüssigen Kohlenwasserstoffen gewonnener »Ölruß«. Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung

ίο von »Ölruß«.

s Alle Rußarten werden durch Spalten von Kohlenwasserstoffen bei intensiver Hitze und unter geregelten Bedingungen erzeugt. Der erzeugte Ruß wird als Farbpigment oder Verstärkungsmittel verwendet.

Neuerdings wurde festgestellt, daß Gasruß den Ölruß übertrifft, insbesondere als Füllstoff für Gummi, der hohem Abrieb unterworfen ist, wie in Fahrzeugreifen.

Der gemäß der Erfindung hergestellte Ölruß hat dagegen die gleichen Und zuweilen sogar bessere Eigenschaften als Gasruß, vor allem als Füllstoff für natürlichen oder synthetischen Kautschuk. Insbesondere lassen sich· die verschiedensten Ölrußarten auch besonders wirtschaftlich herstellen, da die Rußausbeute, bezogen auf den Kohlenstoffgehalt des Ausgangsmaterials, bei flüssigen Kohlenwasserstoffen wesentlich größer ist als bei gasförmigen Kohlenwasserstoffen.

Gemäß der Erfindung wird der, Hauptteil der Kohlenwasserstoffe zu hochwertigem Ruß bei guter Ausbeute gespalten, wenn Kohlenwasserstoffe von bestimmter Zusammensetzung und mit bestimmten physikalischen Eigenschaften in eine wärmeisolierte Reaktionskammer eingesprüht werden und der Ölstrahl mit einer turbulenten Verbrennungszone umgeben wird. Hochwertiger Ruß wird mit guter Aus-

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beute erhalten, wenn Kohlenwasserstoffe verwendet werden mit einem Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff von etwa 0,75 bis etwa 1,25 : 1 und einem mittleren Molekulargewicht von etwa 225 bis etwa 55O₁. Besonders geeignet sind sogenannte »Abfallöle« mit dem oben angegebenen Verhältnis von H zu C und Molekulargewicht und einem spezifischen Gewicht von mindestens etwa 1, einer Viskosität von wenigstens 1,2° Engler bei 99° und einem Verkokungsrückstand nach Conradson von über 1,5.

Der Ausdruck »Abfallöl« umfaßt alle Öl- und Teerarten, die bei der Destillation von Kohlenwasserstoffen, den Krackprozessen oder bei der fraktionierenden Destillation der Kohle als Rückstandsteer anfallen. Solche Öle verdampfen bei Atmosphärendruck nicht vollständig, und einige werden gekrackt, noch ehe 5o°/₀ verdampft sind.

In der nachfolgenden Tabelle I sind einige solcher typischer Abfallöle aufgeführt.

	Material	Verhältnis H zu C	Tabelle I	Spezifisches Gewicht 20°/4°	Verkokungs rückstand, nach Conradson	Viskosität bei 99° in ° Engler
Nr.	Petroleum Petroleum Petroleum Petroleum Kohlenteer Petroleum Kohlenteer Petroleum	I,o8 1,10 I..16 1,05 1,09 I,08 0,79 1,15	Mittleres Molekular gewicht	1,067 1,077 0,996 1,004 1,042 I.057 I,l68 1,047	17,0 17.4 5.0 20,0 2,0 I5.3 24,0 4.0	3.1 3,9 1,2 9,6 1,2 2,5 3.2 M
I II III IV V VI VII VIII		' 39¹·⁰ 310,5 250,0 440,0 277,0 314,0 399.0 227,0

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rußarten unterscheiden sich merklich in ihrer Struktur von den aus natürlichen Gasen erzeugten. Der Ausdruck »Struktur« ist ein Fachwort, das zur Kennzeichnung bestimmter Rußarten dient, die einer mechanischen Verdichtung einen größeren Widerstand entgegensetzen als unstrukturierte Rußarten mit vergleichbarer Körnung. Die Ölabsorptionsmessung nach Gardner ist ein weiteres Mittel, um strukturierte Kohlenstoffe von unstrukturierten zu unterscheiden. Bei strukturierten Kohlenstoffen beträgt die Ölabsorption nach Gardner immer mehr als 100 Gewichtsemheiten Öl auf 100. Gewichtsemheiten Ruß und ist immer um mindestens 10 Gewichtsemheiten Öl/ioo Gewichtsemheiten Ruß größer als die Ölabsorption bei unstrukturierten Kohlenstoffen vergleichbarer Teilchengröße.

Die Struktur ist weiterhin erkenntlich durch ihre Wirkung auf Kautschukmischungen. Je ausgeprägter die Struktur des Rußes ist, um so glatter wird der gespritzte Kautschuk und' um so geringer seine Schrumpfung sein. Je ausgeprägter die Struktur des Rußes ist, um so höher wird weiterhin der Modul und die Härte des mit dem Ruß vermischten Kautschuks sein. Die Struktur ist also graduell verschieden, und weil alle Rußarten, die aus flüssigen Kohlenwasserstoffen gemäß der Erfindung hergestellt werden, ausgeprägtere Struktur aufweisen als die Gasrußarten, sollen sie allgemein als strukturierte Ruße bezeichnet werden.

Für die Gewinnung von Flammruß sind alle Arten flüssiger Kohlenwasserstoffe, einschließlich Schwerölen, Pech und Teer, verwendet worden, der daraus erzeugte Flammruß ist aber wegen der geringen verstärkenden Wirkung nur wenig mit Kautschuk verarbeitet worden. Der aus Ölen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte strukturierte Ruß hat überragende Verstärkerwirkung auf Kautschuk und ist kein Flammruß, wohl aber eng verwandt mit dem Gasruß. Bisher wurde es als praktisch unmöglich angesehen, aus Abfällölen Ruß hoher Qualität herzustellen.

Durch das Verfahren und mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich nun derartiger Ruß aus Abfallölen billig und mit guter Ausbeute herstellen. Die neue Vorrichtung ist aus handelsüblichen Teilen zusammengesetzt, die für ihren Zusammenbau nur wenig bearbeitet werden müssen.

Erfindungsgemäß lassen sich die verschiedensten Ölrußarten herstellen, die für alle Zwecke geeignet sind, für die bisher nur Gasruß verwendet wurde. Es lassen sich schließlich Ölrußarten mit Merkmalen erzeugen, die an bekannten Gasrüßen nicht bekannt sind. So lassen sich aus Abfallölen Rußarten herstellen, die natürlichem oder künstlichem Kautschuk hohe Abriebfestigkeit verleihen. Gemäß einer typischen Ausführungsform der Erfindung wird ein Kohlenwasserstofföl mit den oben beschriebenen Eigenschaften in einem Brenner mit einem Gas bei mäßigem Druck vermischt und zerstäubt. Das zerstäubte Öl wird in Form eines konischen Strahls in eine hitzeisolierte Reaktionskammer eingeführt. Gleichzeitig wird in die Reaktionskammer in der Nähe des Entstehungsortes des Ölstrahls ein Zusatzgas in einer Vielzahl von Gasstrahlen eingeleitet, die den Ölstrahl wie einen Kranz umgeben, und eine große Menge Luft oder eines anderen, Sauerstoff enthaltenden Gases wird so zugeführt, daß die Luft. an den Gasstrahlen und dem Ölsprühstrahl entlang strömt und die Verbrennung eines Teiles der Brennstoffe bewirkt und Hitze erzeugt, damit das Öl in Kohlenstoff und Wasserstoff gespalten wird. Dieses Verfahren läßt sich mannigfaltig abwandeln. Sämtliche notwendigen' Bestandteile sind auf eine so kleine Fläche zusammengedrängt, daß ihr Zusammenwirken über weite Bereiche genau regelbar ist.

Durch Veränderung der Art, des Volumens und der Geschwindigkeit des zerstäubenden und des zusätzlichen Gases sind zahlreiche Abänderungsmöglichkeiten gegeben, so daß es möglich ist, irgendwelche gewünschten Arbeitsbedingungen einzustellen.

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Die mittlere Teilchengröße ist ebenfalls ein charakteristisches Merkmal des Rußes, um eine Rußart von anderen zu unterscheiden. Farbe und Kautschukverstärkung sind Eigenschaften, die mit zunehmender Teilchengröße abnehmen. Die Teilchengröße wird durch die Geschwindigkeit und die Dauer der Kohlenwasserstoffspaltung, bestimmt. Beide Reaktionsfaktoren sind ihrerseits wieder bedingt durch das Maß der Verbrennung, das für die Flammentemperatur und den

ίο Verdünnungsgrad der Verbrennungsprodukte von Einfluß ist. Bei der Herstellung von Ruß ist es wichtig, das Maß der Verbrennung so zu regeln, daß die gewünschte Teilchengröße bei möglichst hoher Ausbeute erzielt wird. Durch das Verfahren gemäß der Erfindung können sowohl das Maß der Verbrennung als auch andere Arbeitsbedingungen geregelt werden, so daß schwere, sonst nur außerordentlich schwer zu behandelnde Abfallöle verarbeitbar sind, wie im einzelnen nachfolgend beschrieben ist.

Nachstehend ist eine typische Ausführungsform der neuen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, und zwar zeigt

Fig. ι eine schematische Ansicht der Vorrichtung von der Seite, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Brennerteiles der Vorrichtung, teilweise im Schnitt,

Fig. 3 einen vergrößerten Längsschnitt durch den ' Ofenmund, wobei sich das Brennerrohr und die Leitbleche in Arbeitstellung befinden,

Fig. 4 einen Schnitt nach den Linien 4-4 in Fig. 3, wobei das Brennerrohr und die Leitbleche im Schnitt gezeichnet sind,

Fig. 5 eine Ansicht des Zerstäuberkopfes und der Brennerspitze, teilweise im Schnitt, im vergrößerten Maßstab,

Fig. 6 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Brenners und des Zerstäuberkopfes, wobei die Brenneröffnungen in einem Winkel von 45 ° zum Brennerröhr verlaufen,

Fig. 7 eine Vorderansicht des Ofens, wobei eine besonders zweckmäßige Luftzuführung zur Anwendung gelangt, und

Fig. 8 eine graphische Darstellung über das Verhältnis des Wasserstoffs zum Kohlenstoff und die übrigen Komponenten, die bei dem Verfahren von Wichtigkeit sind.

Der Ofenbesteht aus einer langgestrecktenReaktionskammer 10 mit beliebigem Querschnitt, umgeben von einem Stahlmantel 12 und ausgekleidet mit einer

So isolierenden Ausmauerung 14 und einer Schicht 16 aus hochfeuerfestem Material. Am linken oder Einlaßende ist die Reaktionskammer bei 18 konisch zu dem Mund 20 verengt, der einen geringeren Durchmesser aufweist als die Reaktionskammer 10 und den einzigen Eingang zum Ofen darstellt. Der konische Teil 18, der sich dem Sprühkegel des Öls anpaßt, ist von besonderer Wichtigkeit, weil auf diese Weise genügend Strahlungshitze auf den Ölstrahl übertragen wird. In dem Mund 20 sind Leitbleche 22 und 24 von beliebiger Gestalt untergebracht,die im dargestelltenAusführungsbeispiel aus einem Bündel kurzer, parallel miteinander verschweißter Rohre bestehen. Wie in den Zeichnungen dargestellt, ist eine äußere Gruppe von sechs weiten Rohren 24 vorgesehen. Diese Rohre sind symmetrisch um ein mittleres, einzelnes Rohr 25 von geringerem Durchmesser angeordnet. Zentrisch im Mund 20 ist das Brennerrohr 26 angeordnet, das durch das mittlere Rohr 25 hindurchgeht. Gegebenenfalls kann das Rohr 25 auch wegfallen und durch das Rohr 26 ersetzt sein. Wahlweise können auch die Leitbleche vollständig weggelassen werden.

Die Reaktionskammer 10 ist an dem. dem Brenner gegenüberliegenden Ende offen und hier an einen Kamin 28 angeschlossen. Durch den Kamin werden die gasförmigen Verbrennungsprodukte und der mitgeführte Ruß zu den üblichen Abscheidern und Absaugevorrichtungen geleitet.

Der Kombinationsbrenner gemäß der Erfindung, durch den die Rohmaterialien und zusätzlichen Gase in den Ofen eingeführt werden, ist in Fig. 2 dargestellt. Dieser Brenner besteht aus einem horizontalen Ölrohr 30, das in einer eingeschnürten Öldüse 32 endet. Das Ölrohr ist konzentrisch von dem weiteren Rohr 26 umgeben, das seinerseits in den Gaskopf 36 mündet. Der Gaskopf 36 ist mit einer Anzahl im gleichen Abstand um den Umfang des Kopfes angeordneten Gasöffnungen 38 versehen.

Die vordere Kante des Gaskopfes 36 ist in einem beliebigen Winkel abgeschrägt. Die Öffnungen 38 können entweder gemäß Fig. 5 radial nach außen gerichtet sein oder gemäß Fig. 6 einen Winkel zur Brennrohrachse bilden, der kleiner als 90° ist.

Das andere Ende des Rohres 26 ist durch eine Packung 40 abgedichtet und abgeschlossen.

Das Rohr 30 mündet außerhalb des Ofens in eine Mischkammer 42, der das flüssige, zur Erhöhung seiner Fluidität vorzugsweise vorgewärmte Ausgangsmaterial durch die Leitung 44 zugeführt wird, und zwar angesaugt durch Luft, Dampf oder andere zur Zerstäubung dienende gasförmige Stoffe, die durch Rohr 46 zügeführt werden und mit denen der flüssige Kohlenwasserstoff gemicht wird.

Beim Arbeiten wird das durch das Gas zerstäubte Öl durch die Düse 32 in die Reaktionskammer 10 in Form eines konischen Strahles gesprüht, der aus einem Gemisch von Gas und äußerst kleinen Tröpfchen mit einem Durchmesser von 80 bis 1100 μ besteht. Durch den Gaskopf 36, der die Öldüse 32 mit seinen nach außen gerichteten Öffnungen umgibt, wird brennbares Gas, verdampftes Öl, Luft oder ein inertes Gas, z. B. no Dampf, oder ein Gemisch solcher Gase in einer der Geschwindigkeit des Ölsprühnebels angepaßten Geschwindigkeit zugeführt. Die Luft strömt unter niedrigem Druck (etwa 100 bis 200 mm Wassersäule) aus der Luftkammer 50 durch den Mund 20 in den Ofen und strömt am Gaskopf 36 vorbei. Wenn brennbares Gas durch den Gaskopf 36 zugeführt wird, verbrennen zunächst die aus dem Gaskopf austretenden Gasstrahlen mit der unter niedrigem Druck stehenden Luft. Nur der Teil der Luft, der bei der Verbrennung des Gases nicht verbraucht wird, steht für die Verbrennung des Öls zur Verfügung. Wird dem Gaskopf nur Luft zugeführt, so verbrennt natürlich,nur Öl. Normalerweise werden dem Gaskopf nichtLuft, sondern brennbare Gase oder Dämpfe zugeführt. Die Form und die Geschwindigkeit des Ölstrahls, der Zerstäu-

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bungsgrad und die Art des zur Zerstäubung verwendeten Gases, das Volumen der unter niedrigem Druck stehenden Luft und Anzahl, Geschwindigkeit und Art der zusätzlichen Gasstrahlen sind von Einfluß auf die Spaltung des Öles.

. Wie bei allen üblichen Verfahren zur Gewinnung von

' Ofenruß muß eine beträchtliche Menge Luft in den Ofen eingeführt werden, um durch Verbrennen eines Teiles der brennbaren Materialien die Hitze zu erzeugeh, die für die Spaltung der restlichen brennbaren Materialien zu Kohlenstoff erforderlich ist. Das Ver-

: hältnis von Luft zu den in den Ofen eingeführten Brennstoffen wird in Prozent der theoretisch zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Luftmenge aus-

X5 gedrückt. Bei den üblichen Öfen liegt dieser Prozentsatz etwa zwischen 25 und 50%.

ι' . Der Hauptteil der die Verbrennung unterhaltenden Luft, die oben als Niederdruckluft bezeichnet wurde, wird dem Ofen durch Leitung 48, Luftkammer 50 und Mund 20 zugeführt. Die zusätzlichen Luftmengen zur Zerstäubung 'des Öls, die durch den Gaskopf 36 zugeführt werden, machen nur einen geringen Bruchteil der gesamten zur Verbrennung erforderlichen Luftmenge aus.

Weil in jedem Falle eine wesentliche Menge Brennstoff verbrannt werden muß, kann ein beträchtlicher

■■ Teil des flüssigen Rohmaterials gespart werden, wenn aus den Düsen des Gaskopfes 36 brennbares Gas um das zerstäubte Ölgemisch zugeführt wird. Diese zusätzliehen Gasstrahlen dienen nicht nur der Qualitätsverbesserung des Rußes, sondern erhöhen auch die Aus-

: beute.

Da die vorzugsweise verwendeten Abfallöle nur schwer und nicht vollständig verdampfbar sind — in einigen Fällen lassen sich nicht mehr als 50% verdampfen — bevor Krackung eintritt, können sie allein

• durch Verdampfen nicht so fein zerteilt werden, wie es für die Einführung in die Reaktionskammer wünschenswert ist. Zur Zerstäubung solcher Öle müßten aber Drücke von über 140 at angewendet werden.

Bei Zerteilen des Öles mittels eines Gases und Ein-

:·· halten eines optimalen Verhältnisses von Gas zu Öl läßt sich die Reaktion im Innern des Ölstrahles j edoch vollständig regeln. Hohe Drücke sind nicht erforderlich; Drücke von 1,7 bis 5 at reichen völlig aus.

Eine genaue Regelung ist dadurch möglich, daß der

<■■ aus den Gasstrahlen gebildete Ring dicht neben dem Ölstrahl angeordnet ist. Die verwendbaren Abfallöle können sich weitgehend in ihren Eigenschaften, beispielsweise der Viskosität, unterscheiden, und die

• für ein Öl optimale Arbeitsweise kann für ein anderes r ■ Öl unzweckmäßig sein. Jedes Öl oder Ölgemisch läßt sich jedoch leicht verarbeiten, wenn die Strömungs-. bedingungen der Gase einander angepaßt werden und jeweils die vorteilhafteste Gasart ausgewählt wird.

Es gibt beispielsweise zwei grundsätzlich verschie-

■■ dene Rußarten, die eine mit geringer Teilchengröße und wenig ausgeprägter Struktur verleiht Kautschuk hohen Abnutzungswiderstand, die andere mit relativ hoher Teilchengröße und starker Struktur verleiht dem Kautschuk zwar geringeren Abnutzungswiderstand, macht ihn aber glatt und setzt das Schrumpf vermögen

. herab.

Um die erste Rußart herzustellen, müssen in der Reaktionskammer anfänglich kleine Teilchen gebildet und ein späteres Teilchenwachstum verhindert werden. Dies ist möglich, wenn das Öl fein zerstäubt und das Gas-Öl-Gemisch mit hoher Geschwindigkeit in einen engen Kegel eingespritzt und gleichzeitig aus dem Gaskopf eine ausreichende Menge brennbares Gas mit einer hinreichenden Geschwindigkeit austritt, um eine schnell brennende Flamme zu bilden. Für die Zerstäubung von 11 Öl werden z. B. etwa 0,5 bis 0,7 m³ Luft verwendet. Das zerteilte Öl wird beispielsweise mit einer Geschwindigkeit (s. Tabelle II) von etwa 180 bis 305 m/Sek. in den Reaktionsraum eingeführt. Zusätzlich wird ein brennbares Gas, z. B. Erdgas, durch 12 bis 24 Öffnungen des Gaskopfes mit einer Geschwindigkeit von go bis 305 m/Sek. zugeführt. Der enge Kegel des Ölstrahles in die Reaktionskammer ist außen von einem Flammenmantel umhüllt und wird im Innern durch die zugeführte Luft am Brennen erhalten. Die ursprünglich schon sehr kleinen einzelnen Öltröpfchen werden beim Brennen noch kleiner,, und die gebildeten Rußteilchen sind voneinander durch eine große bei der schnellen Verbrennung gebildete Menge Abgas isoliert. Die gebildeten Rußteilchen sind also klein und wachsen beim Durchgang durch die Reaktionskammer nicht an. Sie haben verhältnismäßig wenig Struktur. > '

Um stark strukturierten Ruß zu erhalten, wird zweckmäßig eine kurze, buschige, heiße Flamme verwendet, so daß sich anfänglich schnell Kerne bilden und die Reaktion dann verhältnismäßig lange dauert. Eine derartige Reaktion wird am besten erreicht, indem das Öl mit einem Brenngas oder einem inerten Gas versprüht wird, obwohl sich auch Luft verwenden läßt. Hierbei muß ein niedriges Verhältnis von Gas zu Öl, z. B. 0,08 bis 0,2 m³ Gas auf 11 Öl, verwendet und das Gemisch mit einer relativ niedrigen Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse von etwa 107 bis 185 m/Sek. versprüht werden. Gleichzeitig wird dem Gaskopf 36, der eine geringe Anzahl, z. B. sechs, Öffnungen aufweist, ein zusätzliches Gas, vorzugsweise ein brennbares Gas oder ein brennbarer Dampf, mit einer Geschwindigkeit zugeführt, die die Geschwindigkeit des Ölstrahles übersteigt, so daß der Ölstrahl dazu neigt, außen zu flackern. Die unter niederem Druck am Brenner vorbeiströmende Luft wird derart in den Ölstrahl gesaugt, daß augenblicklich vollständige Mischung erfolgt. Die Verbrennung des gesamten Gemisches von Gas und Öl wird jedoch hinreichend verzögert, so daß eine lange Verbrennungsdauer und eine nennenswerte Teilchenvergrößerung erreicht wird, obwohl die Anfangsreaktion schnell einsetzt.

Es ist wichtig, daß die Gasstrahlen dicht neben dem Ölsprühnebel liegen. Diese Gasstrahlen erhöhen nicht nur die Flammentemperatur durch.Erzeugung zusätzlicher Hitze bei Anwendung brennbaren Gases oder Dampfes oder durch Beschleunigung der Vermischung bei An-Wendung eines Sauerstoff enthaltenden Gases, sondern sie regeln auch die Form des Ölstrahles. Die Gasstrahlen umschließen den Ölstrahl undbilden mit ihm eineNiederdruckzone,in die die als Niederdruckluft bezeichneteVerbrennungsluft hineingesaugt wird. Diese Saugwirkung erhöht die Geschwindigkeit des Gas-Luft-Vermischens.

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Für die Bildung eines wenig strukturierten Rußes geringer Teilchengröße werden verhältnismäßig viele Gasstrahlen angewendet, um eine dämpfende Wirkung zu erzielen, so daß die Niederdrückluft vorzugsweise mit dem Gas reagiert und nicht zur Verbrennung von Öl dienen kann. Für die Bildung eines stark strukturierten Rußes großer Teilchengröße soll mehr Luft den Ölstrahl von außen berühren, weil die Luft zweckmäßig nicht zur Zerstäubung verwendet wird. Deshalb werden nur drei bis sechs Gasstrahlen verwendet, die die Hitzeentwicklung unterstützen, aber auch durch Unterstützung des Saugeffektes zusätzlich Luft zum Öl saugen.

Ein Vorteil, der sich durch die Anwendung der brennbaren, umhüllenden Gasstrahlen ergibt, wird aus folgendem Beispiel klar, in dem die Bedingungen für die Gewinnung eines Rußes mit hohem Strukturwert angewendet werden. Stündlich fließen durch den Brenner 1061 m³ Luft, 71 m³ brennbares Gas, 21 m³ zur Zerstäubung dienendes Gas (brennbares Gas und zur Zerstäubung dienendes Gas sind natürliche Gase) und 190 1 Öl. Die Gase verbrauchen 970 m³ Luft, so daß für das Öl nur 91 m³ Luft übrigbleiben. Für die Verbrennung von 11 Öl werden theoretisch etwa 12 m³ Luft benötigt, so daß von den 190 1 Öl nur 7,6 1, d. h. etwa 4°/₀, verbrannt werden und 1821 Öl für die Spaltung zu Ruß übrigbleiben.

Es ist nur eine Arbeitsmöglichkeit des Brenners von vielen dargestellt worden. Im Rahmen der Erfindung können die Abmessungen der einzelnen Teile zueinander, die Anzahl der Öffnungen u. dgl. weitgehend verändert werden. Die sich an den zerstäubten Ölstrahl anschließende turbulente Verbrennungszone kann auch dadurch erzeugt werden, daß um den Ölstrahl nur Luft, also kein brennbares Gas, zugeführt wird. In diesem Falle wird jedoch ein größerer Teil des Öles vollständig verbrannt, und dementsprechend sinkt. auch die Rußausbeute. Die Luft und/oder das Gas oder Mischungen von Luft und Gas zur Bildung der turbu- f; lenten Verbrennungszone können der Reaktionskammer auch in anderer Weise, z. B. tangential, züge- führt werden, ohne von dem Prinzip, nämlich der feinen Zerstäubung eines Öls mit den obengenannten Eigenschaften in eine umgebende turbulente Ver- ■·;.· brennungszone, abzuweichen.

In Fig. 8 ist für eine Anzahl verschiedener Kohlen-Wasserstoffe das mittlere Molekulargewicht graphisch über dem Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff aufgetragen. Der Bereich des mittleren Molekulargewichts und des Verhältnisses von Wasserstoff zu Kohlenstoff bei den Ölen, die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, ist auf der Darstellung durch eine schraffierte Fläche bezeichnet.

Einige mögliche Arbeitsbedingungen aus Betriebs- .: versuchen sind in der Tabelle II zusammengestellt. Die Tabelle III zeigt die Ergebnisse von Prüfungen an Mischungen von natürlichem und synthetischem Kautschuk mit Rußen, die bei den verschiedenen Versuchen verwendet wurden. :>■■■'

Bei dem in Tabelle II erwähnten. Geschwindigkeitsfaktor sind nicht die Öl- und Gastemperaturen beim Verlassen des Brenners sowie das Ölvolumen und die Ausströmkoeffizienten der Öffnung berücksichtigt.

Tn den in Tabelle II aufgeführten Versuchen s-g schwankt die Menge des durch die Öffnungen des Gaskopfes strömenden Gases zwischen 23 und 100 m³/h, gemessen bei 15,5° und 762 mm Hg.

	Öl	Ofengröße in m	Tabelle II	0,40	Willkürlicher	Gaskopf	Zahl
				O₁II	Geschwindigkeitsfaktor V m/Sek. ',		der Öffnungen
Versuch.			, .Zerstäubergas	0,11	Öldüse	381	im Gaskopf
	I	6,45 x 0,69	Art ' I m³/l Öl	0,11		324 (Luft)
	VI	1,87 x 0,46	natürliches	0,11	283	166	12
943	VI	3,40 x 0,69	Gas	0,11	186	166	12
1779	VI	3,40 x 0,69	-	0,59	206	166	24
1917	VI	3,40 x 0,69	-	0,60	206	166	12
1921	VI	3,40 x 0,69	-	0,58	206	' 9¹	6
1932	I	6,45 X 0,69		0,61	206	91	3
1948	I	6,45 χ 0,69	-	o,57	290 ,	91	12
IO88	I	3,40 χ 0,69	Luft	o,57	260	91	12
1130	I	3,40 χ 0,69	-	o,57	253	108	12
II03	I	1,87 χ 0,46	-	0,58	262	108 '	12
II04	I	1,87 χ 0,46	-	0,31	248	216	12
II65	I	1,87 χ 0,46	-	0,60	354	326	12
II7I	I	1,87 χ 0,46	-	0,52	246	108	12
HOI	I	1,87 χ 0,46	-	o,54	248	318	12
II62	II	3,25 χ 0,46	-		238	233	.12
1296	IV	3,25 χ 0,46	-		250	240	24
3540	VI	3,25 X ο',φ	-	217		6
3526		-	219	12
3508

Der willkürliche Geschwindigkeitsfaktor V errechnet sich: V = Gasvolumen (m³/h)

Fläche der Öffnungen (m²) ^Λ 3600

-s X

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Tabelle!! (Teil 2)

	7o der	Nigrometerwert	Farbkraft m²	Oberfläche Is*	Ausbeute Ruß g/l Öl
Versuch	theoretischen Verbrennung
	aller Brennstoffe	96,3	^; HS	30	360
, 1921	34,3	98,0	95	21	810'
943	24,8	98,5	119	47	460
1779'	34,o ■	97,5	HO	32	348
I917	34,o	95,6	: . HO	38	442
1932 ..	33,4	94,9	119	36	418
1948	34,5	88,9	178	195	296
:. 1088	42,7	89,2	194	239	264
1130	45,o	91,3	174	89	332
1103	43,6	88,7	184	173	. 228
1104	51,0	88,9	198	98	324
1165	45,o	89,0	194	71	329
1171	40,0	90,2	188	73	388
1161	45,o	90,4	173	63	418
1162	45,o	90,1	-182	7¹	326
1296	4i,5	90,1	: 194	58	308
. 3540	38,0	90,5	; ' 182	75	342
3526	38,0	90,0	172	70	425
3508	38,0

* Gemessen nach der Jodadsorptionsmethode.

Ein Standardrezept für natürlichen und synthetischen Kautschuk sieht wie folgt aus:

Teile

Smoked
Sheets

Synthetischer
Kautschuk 95

Kautschuk

Ruß

Fichtenholzteer

,, Zinkoxyd

Schwefel

Stearinsäure ...:..... _4<) Antioxydationsmittel .

Weichmachungsmittel

Beschleuniger:

Mercaptobenzothiazol

Benzothiazol-2-sulfonsäure

In Übereinstimmung mit diesem Standardrezept wurden Mischungsproben hergestellt unter Verwendung von Ruß aus den oben angeführten Versuchen

f.: r und einem typischen, leicht verarbeitbaren » Channel «·- Ruß (EPC) sowie einem feinen »Furnace«-Gasruß (FF). Die in Tabelle III angegebenen Eigenschaftswerte sind bestimmt nach folgenden Vulkanisationszeiten: Spannung σ₃₀₀ (DIN 53504,

jk* Blatt 2)....... · ':.· .· i^m Mittel' 60 bis φο Mi-

■■■.■-.'' ' ■.·.'. .'-r ■ -nuten . ■ ■ ·

bei Anwendung von:
»Furnace «-Ruß ...

»Channek-Ruß ..
»Furnace«-Ruß .'.

»Channel «-Ruß

100,0 50,0 3,o 5,o 2,8 3,o 1,0

o,5

0,9

100,0

50,0 3,o 5,o 2,0

5,o

■1,0

1,25

Zugfestigkeit Mittel aus zwei Vulkani-

:.- sationen, die den' :

■ . . ; Höchstwert ergeben

Torsionshysteresis.......;, 60 Minuten ·. ■

Abrieb (nach Goodrich),,. ';

Stoßelastizität . ■ , ·:

(DIN 53512) ....·....,.... 70 Minuten ^; . ■''

Die Abriebzahlen geben an, wieviel cm³ Gummi bei

i.Million Umdrehungen einer .Abriebwalze abgerieben wurde.

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Tabelle III

Versuch

Abrieb

(nach

Goodrich)

Spannung σ 3ΟΟ

kg/cm²

Zugfestigkeit
kg/cm²

Torsionshysteresis

Stoßelastizität

Kautschukart

·

i9!7 ··

"30

,

1161

..·...

■■·

3508

Channel-Ruß EPC ...

ChannePRuß EPC ...

Furnace-Gas-Ruß FF.

302

331

285

295
278
208
218
247
221
178
203
206
212
208
221
208
211
296
260
290
252

112,7
128,0
112,4

124,3
132,0
127,1
152,6
163,8

I54,o
147,0
182,7
189,0
177,8
168,0
187,6
137,2
154,0
144,6
95,6
91,0

74,2
66,9

203,7
_s 184,8
182,7
181,0
195,6
298,9
308,0
282,8
289,8

295,4
298,9

301,7

296,8

285,6

250,6

25i,7 .

239,4

273,o

186,2

234,5
i85,5

7,9

8,7

9,5

10,6

9,0

8,8

19,0

17,0

19,0

23,0

17,0

15,0

14,0

14,4

12,3

27,0
27,0

27,0

20,0

78,7

61,7

61,6

61,1

61,6

61,9

69,6 68,9

71,7 67,5

71,0

71,7

7*,7 T* A 73,i 56,4 56,9 57,o 67,0

55,9 66,6 56,6

liatürl.' künstl.

natürl.

künstl.

natürL künstl.: natürl. künstl.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

i. Verfahren zur Herstellung von Ruß, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kohlenwasserstoff, bei dem das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff etwa 0,75 bis 1,25:1 beträgt und das mittler.e Molekulargewicht zwischen 225 und 550 liegt, in feinzerstäubter Form in eine hitzeisolierte Reaktionskammer eingesprüht und um den Strahl herum durch in die Kammer eingeführte Luft eine turbulente Verbrennungszone gebildet wird, wobei der Hauptteil des Kohlenwasserstoffes zu Ruß gespalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Kohlenwasserstoff ein spezifisches Gewicht von mindestens etwa 1, eine Viskosität von wenigstens 1,2° Engler bei 99⁰ und einen Conradsonschen Verkokungsrückstand über 1,5 aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoffstrahl in die Reaktionskammer mit einer linearen Düsengeschwindigkeit zwischen 180 und 305 m/Sek. eingeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff durch Gas versprüht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff mit Luft versprüht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Reaktions-

kammer eingeführte Luftmenge ausreichend ist, eine 25- bis etwa 5o°/₀ige theoretische Verbrennung aller in die Kammer eingeführten brennbaren ^;:" Materialien zu unterhalten.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungszone dadurch gebildet wird, daß unmittelbar an den Ölstrahl anstoßend und ihn umhüllend ein brennbares Gas und Luft zugeführt werden, wobei mindestens eines der Gase mit hoher Geschwindigkeit eingeblasen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungszone durch die Zuführung einer Anzahl divergierender Strahlen eines brennbaren Gases unmittelbar am Umfang des Ölstrahles gebildet wird und die Gasstrahlen und die Ölstrahlen mit einer sich relativ langsam bewegenden Luftschicht umgeben werden.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine längliche Reaktionskammer (10) mit geeigneten Seitenwänden, welche an einem Ende in ihrer Mitte einen Kombinationsbrenner trägt, der parallel zu den Seitenwänden in die Kammer hineinreicht und eine mittlere Düse (32) für die Zuführung eines feinzerstäubten Gas-Kohlenwasserstoff-Strahles trägt, wobei ein Ring von Gasöffnungen (38) vorgesehen ist, durch die nach außen gerichtete Gasstrahlen zugeführt werden, und Vorrichtungen (22, 24) vorhanden sind, durch

609 529/499

C 832 IVa/22 f

die um den Brenner herum in die Reaktionskammer ein sauerstoffenthaltendes Gas eingeführt wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasöffnungen (38) in einem Kreis unmittelbar um den Punkt der Öleinspritzung herum derart angeordnet sind-, daß die Gasstrahlen in einem Winkel zur Brennerachse verlaufen, der kleiner als 90⁰ ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentraldüse (32) des Brenners von einem Gaskopf (36) umgeben ist, der die Gasöffnungen (38) in sich aufnimmt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (22, 24) zur Zuführung des sauerstoffenthaltenden Gases so eingerichtet sind, daß dieses Gas in die Reaktionskammer von einer Stelle, welche hinter den Mündungen der Gasbrenner liegt, eingeführt wird.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer an einem Ende einen kreisförmigen Durchlaß (20) aufweist und die Vorrichtungen zur Zuführung des sauerstoffenthaltenden Gases aus einem Bündel zylindrischer Leitorgane (22, 24) gebildet sind, die in dem ringförmigen Durchlaß

., derart eingesetzt und an beiden Seiten offen sind,

daß sie einzelne Ströme des sauerstoffenthaltenden Gases bilden, die in gerader Richtung in die Reaktionskammer einströmen.,
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskopf (36) und die ., Zentraldüse (32) konzentrisch in der Reaktions-. . kammer (10) hinter den Leitorganen (22, 24) in der Langenachse derselben angeordnet sind.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kombinationsbrenner ein Paar gleichmittig ineinanderliegender Rohre (30, 26) aufweist, die durch den Einlaß der Reaktionskammer in diese hineinreichen, wobei das äußere Rohr (26) zwecks Bildung eines im Querschnitt ringförmigen Durchlasses etwas weiter ist als das Innenrohr (30) und dieses letztere die Zentraldüse (32) trägt, während es außerhalb der Reaktionskammer an eine Zweistrommischvorrichtung (42) angeschlossen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Rohr (26) an seinem Auslaßende in den Gaskopf (36) übergeht und außerhalb der Reaktionskammer an einen Zubringer für gasförmigen Brennstoff angeschlossen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Zuführungsvorrichtungen vorgesehen sind für flüssige Kohlenwasserstoffe und feinzerstäubte Gase in den Zweistrommischer (42) und daß die Reaktionskammer (10) Einrichtungen (22, 24) zur Zuführung eines die Verbrennung unterhaltenden Gases trägt, während sie an dem entgegengesetzten Ende eine Auslaßöffnung für die Verbrennungsprodukte und den Ruß aufweist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Gäsöffnungen (38) in gleichem Abstand voneinander um den Gaskopf (36) herum angeordnet sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr des Kombinationsbrenners an seinem'dem Gaskopf entgegengesetzten Ende eine Dichtung (40) bzw. einen Verschluß gegen Leckage aufweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen