Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwa¬ rzania sadzy z gazowych, cieklych, lub stalych substancji organicznych zwlaszcza z weglowodo¬ rów, substancji organicznych, zawierajacych tlein lub azot albo oba te pierwiastki, olejów zwierze¬ cych i roslinnych, tluszczów, jak równiez z wos¬ ków i zywic naturalnych.Z licznych gnanych sposobów otrzymywania sa¬ dzy weglowej z materialów zawierajacych we¬ glowodory, najczesciej stosowane metody otrzy¬ mywania sadzy wysokiej jakosci sa: kanalowa i posiadajaca rózne odmiany metoda piecowa. Me¬ tody te polegaja na niecalkowitym spalaniu ma¬ terialów wyjsciowych, lurj na rozszczepianiu (krakowaniu) ich za pomoca doprowadzanego ciepla.Sposoby stosowane dotychczas maja jednak te wade, ze przy otrzymaniu sadzy wysokiej ja¬ kosci wydajnosc procesu jest niska. Poza tym urzadzenia do wykonywania sposobów znanych sa kosztowne, a koszty robocizny i surowca bar¬ dzo znaczne.Przyczyna niskiej wydajnosci sadzy w sposo¬ bach znanych dotychczas wyjasnia nizej przed¬ stawione rozwazanie.Glówna reakcja, która zachodzi przy wytwa¬ rzaniu sadzy jest nastepujaca: (1) CnHx = nC + xH + Y Kai, przy czym n i x oznaczaja liczby calkowite, zas Y cieplo reakcji, zmienne w zaleznosci od rodzaju stosowanego ma¬ terialu wyjsciowego. Dla weglowodorów parafino¬ wych, np. oleju gazowego, cieplo reakcji jest ujemne, dla weglowodorów aromatycznych, np. antracenu, cieplo to jest dodatnie. W celu ogrza¬ nia surowca do temperatury jego rozszczepienia, oraz w celu uzupelnienia strat cieplnych proce¬ su potrzebne jest cieplo dodatkowe.Gdyby rozszczepianie substancji zawieraja¬ cych wegiel bylo mozliwe do przeprowadzenia zgodnie z reakcja (1) wówczas moznaby, prakty¬ cznie biorac, calkowita ilosc wegla zawartego w surowcu przetworzyc w sadze, oraz otrzymac po¬ wazne ilosci wodoru. Stwierdzono jednak, ze oprócz reakcji glównej (1) zachodza równiezreakcje uboczne, wedlug nas^pujacych. równan: (2) CHhbÓ2 = 2CO— 34MJKal/kg wegla (3) C^J^^CO^Hf4-*&3B kg wegla (4) C + 2H2 = CH4 4 1506li wegla (5) C+ ^ 02 =00 + 2440 kg wegla (6) C + O2 = COz + 8060 kg wegla (7) H2 + K C2 = HaO + 28670 kg wodoru Niektóre z tych reakcji sa pozadane w "celu wytwarzania ciepla potrzebnego do ogrzania mar terialu wyjsciowego do temperatury jego roz¬ szczepienia, do przeprowadzenia procesu rozsz¬ czepienia, jako zródlo ciepla dla innych ubocz¬ nych reakcji ta takze w celu pokrywania strat cieplnych procesu.Jest rzecza oczywista, ze, reakcje Uboczne za¬ leznie od rodzaju procesu i wymaganej jakosci sadzy, zuzywaja znaczna czesc wegla (np. w me¬ todzie kanalowej do 96—97%) i niekiedy wyma¬ gaja duzych ilosci ciepla.Z powyzszego wynika, ze gdyby mozna bylo uniknac wszystkich lub niektórych reakcji ubocz- -nych albo tez prowadzic reakcje w kierunku korzystnym dla procesu, mozna by otrzy¬ maj znacznie wieksza jego wydajnosc. Przez unakamlie sfbrat najbardziej aktywnego wegila, wiazanego przez reakcje uboczne* jakosc otrzy¬ mywanej sadzy bylaby znacznie lepsza.Reakcji (2) mozna zapobiec stosujac gazy nie zawierajace dwutlenku wegla lub zawierajace go w niewielkich ilosciach.Stwierdzono równiez, ze reakcji (3) mozna uniknac utrzymujac znaczne stezenie wodoru w gazach otrzymywanych oraz znaczna szybkosc reakcji tworzenia sie sadzy.'Wystepowanie reakcji (4) zalezy od tempera¬ tury procesu w strefie, w której odbywa sie reakcja glówna oraz od okresu czasu przebywa¬ nia produktów i skladników reakcji w strefie reakcji. Im wyzsza jest temperatura w wymie¬ nionej strefie, tym mniejsza ilosc metanu pow¬ staje, a poniewaz reakcja jest egzotermiczna i zu¬ zywa tylko nieznaczna czesc wegla, przeto uni¬ kanie tej reakcji nie jest rzecza wazna, a sama reakcja przyczynia sie do podwyzszenia wartosci opalowej otrzymywanego gazu. Jest równiez rzecza oczywista, iz w temperaturze wyzszej reakcja (2) jako bardziej endotermiczna, bedzie miala pierwszenstwo przed reakcjami (3) i (4).Reakcje (5), (6) i (7) mozna ograniczyc stosujac gazy wolne od tlenu lub zawierajace niewielka tylko jego ilosc. Niekiedy jednak, jak to wyja¬ sniono ponizej, pozadane jest, aby gaz zawieral pewna ilosc tlenu. Dostosowujac zawartosc tlenu w zaleznosci od ilosci powstajacego wodoru, mozna wyeliminowac reakcje. (5) i (6). Reakcja (7) jest niekorzystna tylko dlatego, £e powoduje powstawanie pary, która moze sprzyjac reakcji (3), jednak jak omówiono wyzej, reakcje (3) moz¬ na ograniczyc do minimum.Opisanych wyzej wad mozna uniknac stosu¬ jac sposób wedlug wynalazku, polegajacy na tym* ze miesza sie substancje zawierajaca wegiel z goracym gazem tak, aby czas ich zetkniecia sie byl krótszy niz 5 sekund, przy czym sklad gazu oraz stosunek ilosci gazu do ilosci substancji za¬ wierajacej wegiel powinien byc tak dobrany, aby rozszczepienie substancji przebiegalo zgod¬ nie z reakcja wedlug równania (1).Korzystnie jest (temperature reakcji utrzymy¬ wac w granicach 800—1400° C. Goracy gaz moz¬ na wytwarzac przez spalenie paliwa z gazem za¬ wierajacym tlen. Jako paliwo korzystnie jest stosowac gaz zawierajacy wodór, przy czym czesc gazu wytwarzanego w procesie zawraca sie do procesu i spala w celu - wy tworzenia dalszej ilosci goracego gazu. Korzystnie jest, by gaz po spaleniu zawiera! tlen. Osiaga sie to stosujac do spalania nadmiar tfUenu lub powietrza takcie gdy gaz ze spalania zmiesza sie w odpowiednim stosunku z materialem zawierajacym wegiel, wówczas wodór wytworzony w czasie reakcji rozszczepiania reaguje raczej z tlenem, a nie z weglem, dzieki czemu zwieksza sie wydajnosc sadzy. Zawartosc tlenu w goracym gazie, moze byc przed zmieszaniem go z materialem zawie¬ rajacym wegiel regulowana, w zaleznosci od za¬ wartosci wodoru w danym materiale.Mieszanine otrzymana po rozszczepieniu (Kra¬ kowaniu) chlodzi sie w dowolny, odpowiedni sposób, np. woda, para wodna lub zimnymi ga¬ zami. Im krótszy jest okres czasu, w ciagu któ¬ rego mieszanina pozostaje w wysokiej tempera¬ turze, tym wyzsza jest jakosc otrzymywanej sa¬ dzy.Gazy z zawieszona w nich sadza wprowadza sie po ochlodzeniu bezposrednio lub posrednio do elektrostatycznego oddzielacza lub do filtrów albo tez chlodzi sie je dalej woda przez co sadza osadza sie. Chlodzenie woda moze byc przepro¬ wadzane stopniowo. Gazy otrzymywane w pro¬ cesie stosuje sie czesciowo do wstepnego ogrze¬ wania gazów, a czesciowo zawraca do reakcji.Mieszanie goracego gazu z substancja zawieraja¬ ca wegiel moze byc wykonywane w dowolnym odpowiednim naczyniu, np. w postaci rury lub komory.W praktyce mozna stosowac do pierwszych cy¬ kli jako goracy gaz wodór lub pare i nastepnie czesc otrzymanego gazu, skladajacego sie ze zna-r cznej ilosci azotu i wodoru, zawraca sie do pro¬ cesu. Powtarza sie to do chwili osiagniecia rów¬ nowagi, w której sklad gazu ustali sie. _Zawartosc ciepla wytwarzanych gazów w pro¬ cesie jest wystarczajaca jako cieplo potrzebne do wytworzenia sadzy, przy czyni; zaleznie od rodza¬ ju uzytego materialu zawierajacego wegiel otrzy¬ muje sie pewien nadmiar gazów, który moze byc wykorzystany do innych celów.Stopien wstepnego ogrzewania gazów mozna regulowac tak, aby oddzialywac korzystnie na sklad gazu opuszczajacego strefe reakcji stwa¬ rzajac warunki sprzyjajace ograniczeniu reakcji (2) i <7j.Przyklad I. Olej ze smoly zawierajacy 92% wagowych wegla i 6 % wagowych wodoru pod¬ dano rozszczepieniu.Zgodnie z wyzej podanym skladem procento¬ wym olej zawieral 0.87 m* wodoru na 1 kg uzytej substancji. Cieplo reakcji potrzebne do rozszcze¬ piania surowca na wegiel i wodór wynosilo 100 Kai. na 1 kg oleju. Cieplo wlasciwe oleju wynosi 0.55 Kal/kg w temperaturze 1000° C, bedacej przecietna temperatura reakcji rozszczepiania.Temperatura gazu wynosila 1700° C, przy czym gaz zawieral w stosunku objetosciowym 40 % wodoru i 60 % azotu.Cieplo potrzebne do przeprowadzenia reakcji rozkladu 1 kg oleju wynosilo: Cieplo reakcji + 100 Kai.Cieplo potrzebne, do ogrzania oleju do temperatury 1000°C — 550 „ Straty cieplne w urzadzeniu — 100 „ — 550 ~ Cieplo doprowadzanego goracego gazu w tem-v peraturze 1700° C wodór 0.40 X 1700 X 0.330 = 224 Kal/m3 azot 0.60 X 1700 X 0.351 = 358 „ „ 582 Kal/m3 Cieplo zawarte w gazach opuszczajacych ko¬ more reakcyjna w temperaturze 1000° C wodór 0.40 X 1000 X 0.317 = 127 Kal/m» azot 0.60 X 1000 X 0.334 = 200 „ „ 327 KaLms Ilosc ciepla do rozszczepienia i ogrzania oleju wynosila wiec 255 Kal/ms, przy czym ilosc gazu potrzebna do rozszczepiania 1 kg oleju smolowe- 550 go wynosi —= m3 czyli okolo 2,2m3.«S55 Sklad gazów uchodzacych ze strefy reakcji jest nastepujacy: Ilosc wodoru w gazach wchodzacych do strefy reakcji wynosi na 1 kg oleju 2,2 X 0.40 = 0,88 ms Ilosc wodoru utworzonego na 1 kg oleju wynosi 0.67 m8, czyli razem 1.55 m8/kg.Ilosc azotu w gazach wchodzacych i wycho¬ dzacych ze strefy reakcyjnej wynosi na 1 kg oleju: 2,2 X 0.6 = 1,32 m*.Zgodnie z tym calkowita ilosc gazów uchodza-j cych ze strefy reakcji wynosi na 1 kg oleju smolowego 2.87 m8, przy czym sklad Objetoscio¬ wy jest: 54% wodoru i 46% azotu, z pominie¬ ciem azotu zawartego w oleju, oraz innych za¬ nieczyszczen, np, siarki jak równiez nie uwzgle¬ dniajac powstajacego w procesie metanu.Przyklad II. Proces opisany w przykladzie I zmieniono w ten sposób^ ze ogrzewano gazy w regeneratorze do temperatury 1200° C, a na¬ stepnie ogrzewano je dalej do 1700° C przez spa¬ lanie 10% gazu z powietrzem. Gaz zawieral 54% wodoru i 46% azotu w stosunku objetoscio¬ wym. Na 1 kg m* gazu spalono wiec 0,1 m8 z okolo 0,27 m* powietrza. Po spaleniu z im8 gazu otrzymano 0,1 m3 pary Wodnej. 0,85 m* azotu i 0,44 m8 wodoru, czyli lacznie 1,19 m*V Zawartosc cieplna gazu w regeneratorze w tem¬ peraturze 1200° C byla: wodór: 0,4 X1200 X 0,321 = 154 Kal/m* azot: t),6 X 1200 X 0,340 = 245 Kal/m» 399 Kal/m1 Zawartosc tieplna 1,19 m* gazu po spaleniu byla w odniesieniu do temperatury 1000° C (tem¬ peratury reakcji) nastepujaca: para wodna: 0,1 X 1000 X 0,410 = 41 Kai azot: 0,65 X 1000 X 0,334 = 217 „ wodór: 0,44 X 1000 X 0,317 = 139 „ 397 Kai.Calkowita zawartosc cieplna gazu uzytego do reakcji w przeliczeniu na im* pierwotnego gazu wynosila: 399+0,1 X 2570 = 399 + 257 = 656 Kai.Ilosc cieplna uzytecznego dla reakcji roz¬ szczepienia wynosila na 1 ms gazu: 656 — 397 = = 259 Kai, a wiec praktycznie biorac tyle co w przykladzie I.Sklad gazu wchodzacego do strefy reakcji po spaleniu, pomijajac utworzona pare wodna, byl nastepujacy: 0,65 m* azotu oraz 0,44 ms wodoru, czyli w przyblizeniu 40% wodoru i 60% azotu w stosunku objetosciowym.Przyklad III. Uzyto te same surowce co w przykladzie poprzednim, z róznica podana ponizej.Sklad gazu zawracanego do obiegu byl: 45% wodoru i 55% azotu w stosunku objetosciowym.Powietrze i gaz ogrzewano do temperatury 350° C, a olej podgrzano wstepnie tak, ze zamiast 550 Kai, nalezalo na 1 kg oleju dostarczyc ciepla w ilosci 420 Kai. Gaz spalono calkowicie, a otrzy¬ mane cieplo wykorzystano do przeprowadzenia reakcji rozszczepienia, zapobiegajac reakcjom (2) i (7).Hosc ciepla w gazie wchodzacym do strefy re¬ akcji byla nastepujaca: Cieplo potencjonalne — 3 —(wartosc opalowa gazu o zawartosci 45% wodoru) wynosila 1155 KaJAn8. Zawartosc cfeptaa powie¬ trza wynosila: 1,08x350x0,815 = 119 Kal/m8. Zawartosc ciepl¬ na gazu wynosila: 1 x 350 x 0,313 = 109 Kal/m8. Razem: 1383 Kal/m*.Ilosc cieplna w gazach opuszczajacych strefe re¬ akcji wynosila: para wodna: 0,45 x 1000 x 0,410 = 184 Kai. azot: 1,40x1000x0,334 = 466 Kai. 65j Kai.Zgodnie z tym ilosc ciepla bedacego dodyspo zycji w celu przeprowadzenia reakcji rozszczepie¬ nia wynosila 1383 — 650 =*= 733 Kai, przeto 1 m8 gazu zawracanego do obiegu wystarczal do roz- 733 lozenia —- =1,74 kg oleju. Sklad gazu opu- 420 szczajacego strefe reakcji, pomijajac pare wodna, byl nastepujacy: 1,4 m* azotu +{1,74 X 0,17) ms wodoru czyli 2,62 m* gazu zawierajacego w sto¬ sunku Objetosciowym 45,3% wodoru i 54,7% fizotu, a wiec praktycznie biorac o skladzie ta¬ kim samym, jak sklad gazu poczatkowego. PL