DE2128030A1

DE2128030A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ruß

Info

Publication number: DE2128030A1
Application number: DE19712128030
Authority: DE
Inventors: Allan Clark Sudbury; Lee Kam Bor Chelmsford; Mass. Morgan (V.St.A.). P
Original assignee: Cabot Corp., Boston, Mass. (V.StA.)
Priority date: 1970-06-08
Filing date: 1971-06-05
Publication date: 1971-12-23
Also published as: IL36974A; IL36974A0; NL7107841A; ZA713157B; FR2096083A5; ES418106A1; BE768248A; ES391841A1; GB1359216A

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Ofenruß. Insbesondere verwendet sie die hohe Energie, die bei Verbrennungen entsteht, um erstens die Warne zu erzeugen, die zur Zersetzung von dampfförmigen oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen erforderlich ist, und um zweitens die kinetische Energie für das wirksame und schnelle Dispergieren der Ausgangsstoffe in den Verbrennungsgasen zu erreichen.

Erstes Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Ruß unter Verwendung einer Verbrennung hoher Energie als Quelle für die Wärme und für die kinetische Energie zur Gewinnung von Ruß aus einem dampfförmigen oder flüssigen kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Gewinnung von Ruß besonders guter Eigenschaften aus flüssigen oder dampfförmigen kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen bei einem hohen Durchsatz in einer Anlage gegebener Größe. Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Erreichung höherer Ausbeuten an Büß aus einem gegebenen dampfförmigen oder flüssigen Ausgangsstoff.

Zur Erreichung dieser Ziele verfährt man erfindungsgemäff so, daß man (a) einen geeigneten flüssigen oder gasförmigen Brennstoff mit Luft in einer geschlossenen Verbrennungszone verbrennt und die heißen Verbrennungsgase kontinuierlich

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abführt; (b) den erhaltenen Strom der Verbrennungsgase bis auf eine kinetische Energie über etwa 0,07 kg/cm beschleunigt; (c) in den beschleunigten Strom der Verbrennungsgase, der senkrecht einen flüssigen oder dampfförmigen kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff mit einer Ge- * schwindigkeit einführt, die abhängig ist von der Temperatur, der Strömungsgeschwindigkeit und der Zusammensetzung der Verbrennungsgase, so daß das Gemisch eine Temperatur von wenigstens etwa 1300⁰C erreicht, wobei Kohlenstoff entsteht; und (d) das erhaltene Umsetzungsgemisch auf eine Temperatur abkühlt, die unter der BiIdungstemperatür für Kohlenstoff liegt.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden unten beschrieben.

Als Brennstoff kann man ein leicht verbrennliches Gas, einen Dampf oder eine Flüssigkeit verwenden, z.B. Wasserstoff, Kohlenmonoxyd, Methan, Acetylen, Alkohole, Kerosine und dergleichen. Bevorzugt sind solche Brennstoffe, die einen hohen Gehalt an Kohlenstoff haben, insbesondere Kohlenwasserstoffe. Man kann beispielsweise Brennstoffe verwenden, die reich an Methan sind, wie Erdgas oder modifiziertes Erdgas, ferner andere an Kohlenwasserstoff reiche Stoffe wie verschiedene Erdölgase, Flüssigkeiten und Nebenprodukte der Raffinerie, die Kohlenwasserstoffe mit zwei bis fünf Kohlenstoffatomen im Molekül enthalten, Heizöle und dergleichen.

Mit dem Ausdruck "Luft" werden hier alle Gemische aus praktisch nicht oxydierenden Gasen wie Stickstoff, Kohlendioxyd, Argon und dergleichen mit Sauerstoff bezeichnet, welche

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zwischen etwa 10 und etwa 50 Volumprozent Sauerstoff enthalten.

Um die erfindungsgemäß zu erreichenden außerordentlich hohen Durchsätze zu ermöglichen, wurde festgestellt, daß die Druckdifferenz zwischen der Verbrennungskammer und der Umsetzungskaratner von hoher Bedeutung ist. Diese Druckdif-

ferenz sollte einen Wert von wenigstens etwa 0,07 kg/cm haben, um dem Strom der Verbrennungsgase eine genügende Wärme und kinetische Energie für die geeignete Dispersion des kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffes zu geben, und um aus diesem Ausgangsstoff einen Ruß der gewünschten Eigenschaften bei einem hohen Durchsatz zu gewinnen. Die Druckdifferenz zwischen der Verbrennungskammer und der Umsetzungskammer sollte zweckmäßigerweise zwischen etwa 0,1 und etwa

0,7 kg/cm liegen.

In der Regel werden die erforderlichen Temperaturen schon während der Verbrennung erreicht. Wenn aber ein Gemisch verwendet wird, das einen Überschuß an Luft enthält, so können die Höchsttemperaturen nach der Einführung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffes erreicht werden, der in die heißen Verbrennungsgase eingeführt wird und dort mit

teilweise

dem restlichen Sauerstoff/reagiert. In die Verbrennungskammer können solche Mengen von Luft eingeführt werden, die theoretisch für die vollständige Verbrennung von etwa 50 % bis etwa 500 % des Brennstoffes zu Kohlendioxyd und Wasserdampf erforderlich sind. Vorzugsweise führt man so viel Luft in die Verbrennungskammer ein, daß sie zum vollständigen Verbrennen von etwa 70 bis etwa 350 % des Brennstoffs genügt.

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Wenn der Ausgangsstoff ganz oder zum größeren Teil aus Alkynen wie Acetylen besteht, so sollte berücksichtigt werden, daß diese Verbindungen nach Beginn der thermischen Zersetzung sich exotherm zersetzen, wobei zusätzliche Wärme entsteht.

Das Verhältnis von Luft zum Brennstoff sollte in der Regel so gehalten werden, daß bei einem Überschuß an Brennstoff die adiabatische Flamme eine Temperatur von wenigstens etwa 130O⁰C hat und bei einem Überschuß an Luft die adiabatische Flamme eine Temperatur unter etwa 13OO°C hat. Im letzteren Falle trägt die teilweise Verbrennung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffes dazu bei, daß die Temperatur erhöht wird.

Zur wirksamen Dispergierung des kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffes in dem Strom der Verbrennungsgase muß dieser eine genügende Strömungsgeschwindigkeit dort haben, wo * der kohlenstoffhaltige Ausgangsstoff eingeführt wird. Zum Erfolge des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es notwendig, daß der Strom der Verbrennungsgase eine kinetische Energie von mehr als 0,07 kg/cm hat. In der Regel hat der Strom der Verbrennungsgase dort, wo der Ausgangsstoff eingeführt wird, eine kinetische Energie von mehr als etwa 0,1 kg/cm . Um dem Strom der Verbrennungsgase eine solche Geschwindigkeit zu erteilen, sind verschiedene Verfahren möglich. Man kann beispielsweise die Verbrennung durch die Zufuhrgeschwindigkeit des Brennstoffes und/oder der Luft regeln, um in einer gegebenen Anlage einen Strom der Verbrennungsgase mit einer kinetischen Energie von mehr als etwa 0,07 kg/cm zu erreichen. Man kann das auch durch die Form der Apparatur

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erreichen, wenn man !beispielsweise die Verbrennungsgase durch eine verengte Leitung führt, wobei in der Regel eine erhebliche Beschleunigung erzielt wird.

Die flüssigen oder dampfförmigen Ausgangsstoffe sollten einen Kohlenstoffgehalt von wenigstens 75 ^c/o, vorzugsweise mehr als etwa 85 Gewichtsprozent haben, um bei einem hohen Durchsatz Ruß guter Eigenschaften zu erhalten. Die Zusammensetzung des Ausgangsstoffes kann innerhalb weiter Grenzen schwanken. Man kann beispielsweise bei Normaldruck und Zimmertemperatur gasförmige Ausgangsstoffe verwenden wie Acetylen, Methan, Propan, Äthan, Butan, Äthylen und Propylen, Ebenso können flüssige oder verflüssigte Ausgangsstoffe verwendet werden wie Benzol, Toluol, Xylol, Mesitylen, Cumen, Duren; lineare oder alizyklische Kohlenwasserstoffe wie Hexan, Octan, Dodecan, Cyclohexan und Cyclopentan, paraffinische Öle, Erdöldestillate, Wachse und dergleichen. Aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt man in der Regel restliche aromatische oder äthylenische Teere, Erdöldestillate oder "cycle stock", die bei der Fraktionierung und/oder Destillation entstehen.

In jedem Falle soll der Ausgangsstoff in Form eines oder vorzugsweise mehrerer zusammenhängender Ströme in den Strom der heißen Verbrennungsgase eingeführt werden. Dieses Einführen geschieht praktisch quer zur Strömungsrichtung der Verbrennungsgase. Um das Verfahren stabil zu halten und einen Ruß guter Eigenschaften zu gewinnen, ist es erwünscht, daß der Strom oder die Ströme des Ausgangsstoffes in den Strom der heißen Verbrennungsgase nur so weit eindringen, daß sie vor dem innigen Mischen nicht in Berührung kommen

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mit den Wandungen der Vorrichtung. Dementsprechend sollten der Strom oder die Ströme des Ausgangsstoffes in den Strom der heißen Verbrennungsgase ohne wesentliche Verdünnung bis iri eine Tiefe auf etwa 15 his etwa 50 % des Querschnittes eindringen. Die Erreichung dieses Zieles hängt wesentlich ab von solchen Umständen, die die Strömungsgeschwindigkeit des Verbrennungsgases an den Einführungsstellen für den Ausgangsstoff, von der Form und den Abmessungen der Apparatur j von den Abmessungen und der Anzahl der Einführungen für den Ausgangsstoff, von der molaren Zusammensetzung des eingeführten Ausgangsstoffes, von dem Druck, mit welchem der Ausgangsstoff eingeführt wird, und dergleichen. Man kann also die Eindringungstiefe des Ausgangsstoffes in den Strom der heißen Verbrennungsgase ändern durch Änderung einer oder mehrerer dieser Umstände. Wenn der Ausgangsstoff in flüssiger Form eingeführt wird, so hängt die Eindringungstiefe des zusammenhängenden Stromes des Ausgangsstoffes in die Verbrennungsgase wesentlich

.aber nicht nur, ..„.., , . . . , „ . -. /ab von dem verhältnis der kinetischen Energie der Verbrennungsgase zu der kinetischen Energie des Stromes oder der Ströme des flüssigen Ausgangsstoffes« Üblicherweise hält man dieses Verhältnis zwischen etwa 1:20 und etwa 1:200, um die erforderliche Eindringungstiefe zu erreichen.

Bei der Herstellung von Ruß gegebener Eigenschaften aus einem gegebenen Ausgangsstoff hängt die zugeführte Menge des Ausgangsstoffes weitgehend ab von der verfügbaren Wärme und von der Menge des gegebenenfalls vorhandenen nicht verbrauchten Sauerstoffes in dem Strom der heißen Verbrennungsgase. Für die meisten Ruße stellt man die Menge des Ausgangsstoffes in Abhängigkeit von der Menge

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des Brennstoffes und der Luft ein, so daß etwa 20 bis etwa 50 % des Ausgangsstoffes theoretisch vollständig verbrannt werden können. Häufig kann man aber auch so arbeiten, daß nur etwa 15 % oder sogar etwa 60 % des
Ausgangsstoffes verbrannt werden.

Zur Bildung des Kohlenstoffes bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind von Bedeutung die Größe und die Form des geschlossenen Reaktionsraumes zwischen der Einführung des Ausgangsstoffes und dem schnellen Abkühlen des Umsetzungsgemisches. Bei einem gegebenen Durchsatz bestimmt das gesamte Volumen des Raumes zwischen der Einführung des Ausgangsstoffes und dem schnellen Abkühlen des Umsetzungsgemisches die Verweilzeit in der Ruß bildenden Zone. Bei den oben beschriebenen Arbeitsbedingungen bezüglich der Verbrennung und der Einführung des Ausgangsstoffes kann Ruß sehr guter Eigenschaften schon bei ungewöhnlich kurzen Verweilzeiten gewonnen werden, die bei einer Millisekunde oder sogar darunter liegen können. |

Für die meisten Ruße liegen die optimalen Bedingungen bei Verweilzeiten von etwa i bis etwa 100 Millisekunden. Häufig kann man aber auch längere Verweilzeiten bis zu etwa 500 Millisekunden oder sogar bis zu mehreren Sekunden verwenden, wobei in manchen Fällen Ruße besonderer Eigenschaften erhalten werden. Die Abmessung und die Form des Reaktionsraumes und die Art des Abschreckens sollen weiter unten besprochen werden.

Die Zeichnungen erläutern beispielsweise einige Ausführungsformen der Erfindung.

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Fig. 1 ist ein sehematischer Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 2 ,ist ein sehematischer Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In einer Vorrichtung nach Fig. i wird die Verbrennung zur Erzeugung hoher Energie wie folgt durchgeführt. Ein Brennstoff wie Methan, Erdgas oder Raffinationsgas gelangt durch den Einlaß 2 in den Verteiler 4. Der Brennstoff strömt dann durch Löcher 6 einer Verteilerplatte 8 in die Drossel 10. Luft gelangt durch die Leitung 14 in den ringförmigen Baum 16 zwischen dem Mantel 18 und der Wandung 20 der Verbrennungszone. Die Luft strömt um das stromaufwärts gerichtete Ende 22 der Wandung 20 der Verbrennungszone, und von dort in die Drossel 10, wo sie mit dem Brennstoff gemischt wird· Das Gemisch gelangt durch die Löcher 26 des Flammenhalters * 24 in die Verbrennungszone 12. Der Flammenhalter 2k,besteht in der Regel aus einem kegelstiimpfförmigen Mantel mit vielen Löchern, der an der Verteilerplatte 8 mit seinem '■ dünneren Ende befestigt ist. Die Verschlußplatte 25 bildet eine Dichtung zwischen dem weiteren Ende des Flammenhalterβ und der Wandung 20 für die Verbrennungszone. Der Flammenhalter 24 stabilisiert die Verbrennung und verhindert ein Zurückschlagen in die Drossel 10,

Wie schon gesagt, kann die Beschleunigung des Stromes der Verbrennungsgase auf eine kinetische Energie von wenigstens 0,07 kg/cm häufig allein durch Regelung der Einführung des Brennstoffes und der Luft In die Verbrennungszone 12 erreicht werden. Vorzugsweise erreicht man diese Beschleuni-

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zum Teil
gung aber/dadurch, daß man die Verbrennungsgase durch eine verengte Zone führt. Hierfür ist am Ende der Verbrennungszone 12 eine sich verengende Leitung 28 mit den Wandungen 30 vorgesehen. Diese Wandung 30 kann gekühlt werden mittels eines ringförmigen Raumes 32 zwischen der Wandung 30 und dem Kühlmantel 34. Ein flüssiges Kühlmittel wie Wasser wird durch die Leitung 36 in den ringförmigen Raum 32 eingeführt und durch die Leitung 38 abgeführt.

In den Strom der heißen Verbrennungsgase mit einer kinetischen Energie von etwa 0,07 kg/cm wird ein flüssiger oder dampfförmiger kohlenstoffhaltiger Ausgangsstoff quer eingeführt, d.h. in einem Winkel zwischen 45° und etwa 135°» vorzugsweise zwischen etwa 80° und etwa 100° zu der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase, und zwar von außen· Der Brennstoff wird so eingeführt, daß er einen oder mehrere zusammenhängende Ströme bildet, die in den Strom der Verbrennungsgase eindringen. Der Ausgangsstoff sollte nicht eingesprüht werden. Die Injektionszone 40 besteht aus einer Umhüllung 42 mit wenigstens einem nicht verengten Mundstück 44, das senkrecht zur Strömungerichtung der Verbrennungsgase angeordnet ist. Vorzugsweise verwendet man mehrere derartiger Mundstücke 44, von denen jedes mit einer Zuführungsleitung 46 verbunden ist. Auch die Umhüllung 42 kann ebenso gekühlt werden wie die Umhüllung 30, wobei ein flüssiges Kühlmittel durch den Einlaß 50 in den Kühlmantel 48 eingeführt und durch den Auelaß 52 abgeführt wird.

Aus dem flüssigen oder dampfförmigen Ausgangsstoff, der in den Strom der heißen Verbrennungagaee so eingeführt ist_v daß er mit diesen innig gemischt ist, entsteht jetat der

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- iO -

Kohlenstoff. Nach dem Einführen des Ausgangsstoffes muß also nur die notwendige Verweilzeit des Umsetzungsgemisches vorgesehen werden unter solchen Bedingungen, daß Teilchen von Kohlenstoff entstehen· Das wird dadurch erreicht, daß man das Umsetzungsgemisch aus der Injektionszone 40 in einen geeigneten Reaktionsraum führt. Nach Fig. 1 kann die offene Reaktionskammer 60 mit dem hinteren Ende der Injektionszone 40 durch Flansche 54 und 56 mit einer ringförmigen Reihe von Bolzen 58 verbunden sein. Vorzugsweise ist der Flansch 54 mit einem Kühlmantel 55 versehen.' Der Reaktionsraum der Kammer 60 sollte in der Regel leine Hindernisse enthalten. Er sollte einen größeren Querschnitt halsen, als das hintere Ende der Injektionszone 40. Die Länge der Reaktionskammer 60 wird bestimmt durch die vor=· gesehene Verweilzeit des Reaktionsgemisches beim vollen Betriebe. Im jeweiligen Falle hängt die genaue Verweilzeit natürlich ab von den entsprechenden Reaktionsbedis= gungen und von den gewünschten Eigenschaften des Rußes* Diese Verweilzeit liegt bei den meisten Rußen zwischen etwa 1 und etwa 100 Millisekunden.

Um die Bildung von Kohlenstoff im gewünschten Augenblick zu beenden und damit die Verweilzeit zu begrenzen, sind Sprühdüsen für Flüssigkeiten an geeigneten Orten der Reaktionskammer 60 angeordnet. Die Fig. 1 zeigt zwei solcher Sprühdüsen 62. Die zu versprühende Flüssigkeit; in der Regel Wasser, wird den Düsen 62 unter Druck durch di@ Leitungen 64 zugeführt. Um die Verweilzeit bei eimern gegebenen Durchsatz ändern zu können oder um den Durofe» bei einer gegebenen Verweilzeit ändern zu k'onnQm_g &®hr «ils ©ine Reihe wn Sprühdüse!! vorges©ii©ss

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-il

sein. So kann man beispielsweise zusätzliche Düsen 62 an anderen Stellen entlang der Längsachse der Kammer 60_vanordnen. Die Bildung von Kohlenstoff wird beendet durch das Abschrecken. Das die Reaktionskammer 60 durch den Auslaß 66 verlassende Gemisch besteht in der Regel aus einem heißen Aerosol von Ruß, der in den Gasen suspendiert ist. Nach dem Verlassen des Auslasses 66 wird das heiße Aerosol in üblicher Weise weiter gekühlt, worauf die Festteilchen ebenfalls in üblicher Weise abgetrennt werden.

Die Kammer 60 kann aus einem Stoff hoher thermischer Leitfähigkeit bestehen, wie aus Metallen. Ein Kühlmantel kann vorgesehen sein, durch welchen ein geeignetes Kühlmittel umläuft, etwa so, wie es bei der Injektionszone kO und der Verbrennungszone 12 beschrieben ist. In der Regel ist es aber erwünscht, daß während der Bildung der Kohleteilchen die Wärmeverluste so weit wie möglich herabgesetzt werden, bis die Umsetzung beendet ist. Daher besteht die Reaktionskammer 60 in der Regel aus einem hitzebeständigen isolierenden Material.

Bei einer Vorrichtung nach Fig· 2 findet die Verbrennung des Brennstoffes mit Luft in der geschlossenen Verbrennungszone 100 statt. Diese Verbrennungszone besteht in der Regel aus einer hitzebeständigen Auskleidung 102, z.B. aus feuerfesten Steinen, die von einem Metallmantel 104 und einer Endplatte 106 zusammengehalten werden. Die Luft für die Verbrennung wird durch den Einlaß 108 in den Verteiler 110 und aus diesem in die Verbrennungszone i00 durch mehrere praktisch radial angeordnete Leitungen 112 eingeführt, die durch den Mantel 104 und die hitzebeständige Ausklei-

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dung 102 führen. Koaxial mit diesen Leitungen 112 sind Einführungsleitungen 114 für den Brennstoff, denen dieser durch die Leitungen 115, den Verteiler 116 und die Leitung 118 zugeführt wird. Das Mundstück 120 jeder dieser Leitunb gen 114 für den Brennstoff ist etwas weiter zurückliegend als die Austrittsenden 122 der Leitungen 112. Um eine Vorentzündung zu vermeiden, ist es zweckmäßig, daß der Brennstoff aus den Mundstücken 114 praktisch radial in den Luftstrom aus den Leitungen 112 eintritt. Jedes dieser Mundstücke 114 hat dementsprechend ein geschlossenes Ende 120 Und mehrere radiale Mundstücke 126, durch welche der Brennstoff in den Luftstrom eintritt. Durch die Endplatte 106 kann ein Anzünder 128 führen. Ein Schauglas 130 ermöglicht die Beobachtung der Verbrennung und der Einführung des kohlenstoffhaltigen Auegangsstoffes. Der Anzünder 128 kann einer von Üblicher Art sein, z.B. mit einer Flamme, mit Funken oder mit Glühdrahten,

t ■■ ■ . ·

Wenn das Gemisch des Brennstoffes mit der Luft entzündet ist, findet die Verbrennung sehr wirksam und turbulent statt. Eine mit hitzebeständigen Stoffen ausgekleidete Verbrennungszone nach Flg. 2 bringt den Vorteil mit sich, daß sie nach dem Aufheizen auf Betriebstemperatur dann als Anzünder wirkt, wenn zeitweilig zufälligerweise oder beabsichtigt, die Einleitung von Brennstoff oder Luft unterbrochen ist.. Die hitzebeständige Verbrennungszone hat auch geringere Wärmeverluste zur Folge.

Aus der Verbrennungszone 100 gelangen die Verbrennungeprodukte in die Injektionazone 134, wo der dampfförmige oder flüssige Ausgangsstoff quer zur Strömungsrichtung

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der Verbrennungsgase eingeführt wird, wie es oben beschrieben ist. Um dem Strom der Verbrennungsgase die gewünschte kinetische Energie von mehr als etwa 0,07 kg/cm zu geben, ist eine sich verengende Umhüllung 132 vorgesehen. Diese sich verengende Umhüllung 132 bildet den Austritt aus der Verbrennungszone 100.

Nach der Einführung des Ausgangsstoffes gelangt das Umsetzungsgemisch in den Reaktionsraum 136, wo bei genügender Verweilzeit die Bußteilchen sich bilden.

Beispiel 1

Es wurde eine Vorrichtung nach Fig. 1 mit den nachstehenden Abmessungen verwendet:

Innerer Durchmesser der Verbrennungszone 20 Länge der Verbrennungszone 20 Länge der sich verengenden Umhüllung 30 Innerer Durchmesser der Umhüllung 42 Länge der Umhüllung 42

Innerer Durchmesser der Mundstücke 44 (Vier Mundstücke in der Umhüllung 42 in Winkelabständen von 90 )

Innerer Durchmesser der Reaktionekemmer 60 Länge der Beaktionekamner 60 (von dem Flansch

56 bis zu den Sprühdüsen 62) .. . ΐ6β cm

Bei jedem Versuch wurde al· Brennstoff im wesentlichen aus Methan bestehendes Erdgas mit einen Heizwert von 8600 kcal/Na* durch die Leitung 2 eingeführt. Vorgewärmte Luft wurde durch die Leitung 14 eingeführt. Ale kohlenstoffhaltiger Ausgangsetoff, der durch die Mundetttoke 44 eingeführt wurde, wurde

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25,4	cm
30,5	cm
30,5	cn
12,7	cm
30,5	cm
0,9	nm
45,7	on

ein beim katalytischen Kracken in einer Erdölraffinerie anfallendes Öl der nachstehenden Eigenschaften verwendet:

API-Schwere (l5,6°C, ASTM-D-287) +0,5

I Spezifisches Gewicht (ASTM-D-287) 1,072

Viskosität bei 54⁰C (ASTM-D-88) 90,9

Viskosität bei 99⁰C (ASTM-D-88) 39»7

Kohlenstoffgehalt, Gew.-% 89,9

Wasserstoffgehalt, Gew.-^ 8,1

Schwefelgehalt, Gew.-% 2,08

Asche, Gew.-^ (ASTM-D-482) 0,03

Aromatische Stoffe, Gew.-% 84,8

Gesättigte Stoffe, Gew.-# 15,2

Zusätzlich wurde Kaliumchlorid in Form einer verdünnten wässrigen Lösung nach der USA-Patentschrift 3 010 794 in die Injektionszone 40 eingeführt. Die Tabelle I enthält die wichtigsten Parameter für jeden der Versuche.

Die bei den Versuchen erhaltenen Ruße wurden analytisch geprüft und mit einem synthetischen Kautschuk zu einem Gemisch der nachstehenden Zusammensetzung verarbeitet:

Styrol-Butadien-Kautselmk~15Q0 100,0 Gewichtsteile

Stearinsäure 1,5 Gewichtsteile

Zinkoxyd 5*0 Gewichtsteile

Altax (MBTS) 2,0 Gewichtsteile

Schwefel 2,0 Gewichtsteile

Ruß 5QfO Gewichtsteile

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Altax (MBTS) ist der Handelsname für von der R. T. Vänderbilt Company als Beschleuniger vertriebenes Mercaptobenzthiazyldisulfid.

Verschiedene physikalische Eigenschaften dieser Kautschukmischungen nach dem Vulkanisieren wurden bestimmt, Oie
Ergebnisse sind in der Tabelle II enthalten.

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Tabelle I

Brennstoff- Temperaich menge tür und

Verhältnis Menge von Kinetische Ausgangs— Menge des

von Luft KCl Energie der stoff Ausgangs—

Menge der zu Brenn- g/100 1 Verbrennungs- Temperatur/ stoffes

stoff des Aus— gase in der Druck ~ l/St , (% der Theo- gangsstof- Zone UO C kg/cm rie) f.es kg/cm

Nominelle Verweilzeit Mi1Ii sekunden

2 160

OO

cn

CD
O

327/2160 329/2160 338/2160

145 145 145

0,14 0,14 0,14

266/15,8
256/13,8

435
414
386

40 40 40

K)

K) 00 O CO

Tabelle II Analytische Ergebnisse

mch	Ausbeute kg/1 Ausgangs stoff	Färbekrait nach VeIch Densichron	Oberfläche nach dem Igd-Test	Absorption von Dibutyl- phthalat vT JlQQ g (ASTM 2414-65T)	Adsorption von Iod (ASTM I5IO-6O)	Klasse nach ASTM-D-2516
_t	0,35	234	76	133	97 .	N 347
■Ζ	0,34	236	82	133	103	N 285
3	«ο 0,31 co οι	259	101	114	129	N 220
	ο»

CO O CO O

Tabelle II (Fortsetzung)

Kautschuk nach 50-minütigem Vulkanisieren

ASTM-D-412

Versuch No.

300 ^-Modulus kg/«² Zugfesti gkeit
,kg/ei?

Dehnung

Abprall nach
ASTM D-1054

1-1

219 316

420

43

1-2

1-3

218 191 323

348

440

480

53

N) OO O CO

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- 19 Beispiel 2

Es würde eine Vorrichtung nach Pig. 2 mit den nachstehenden Abmessungen verwendet:

Innerer Durchmesser der Verbrennungszone 100 20,4 cm Länge der Verbrennungszone 100 50 »8 cm

Achtzehn Leitungen 112 waren radial und in gleichen Winkelabständen in Reihen von je sechs- vorgesehen. Diese Reihen befanden sich in Abständen von 10, 20 und 30 cm von der
Rückseite der Verbrennungszone 100.

Durchmesser jeder Leitung 112 2,5 ein

Äußerer Durchmesser der Einführungen

für den Brennstoff 6,3 mm

Abstand der Enden 120 der Einführungen 114
für den Brennstoff bis zu den Austrittsenden 122 der Luftleitungen 112 2,5 cm

Durchmesser der Hundstücke 126, im Injektor

114 zwei Reihen von je vier i mm

Länge der sich verengenden Umhüllung 132 16,5 cm

Die Abmessungen der Zone für die Einführung des Ausgangsstoffes 134 entsprachen im wesentlichen denen der Vorrichtung nach Beispiel 1.

Reaktionsraum 136 152 cm Länge χ 46 cm innerer Durchmesser.

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Wasserstoff 13,8 Volumprozent

Stickstoff 5,0 Volumprozent

Kohlenmonoxyd - 2,2 Volumprozent

Methan 30,9 Volumprozent

Äthan 18,6 Volumprozent

Äthylen 5,8 Volumprozent

Propan 7,8 Volumprozent

Propylen 11,9 Volumprozent

Butan 2,0 Volumprozent

Butylen 1,4 Volumprozent

Pentan 0,5 Volumprozent

andere Stoffe 0,1 Volumprozent

gesamt 100,0 Volumprozent

|l Die Tabelle III enthält die wichtigsten Parameter für jeden Versuch. Die erhaltenen Ruße wurden analysiert. Muster der Ruße von den Versuchen 1 bis 6 wurden zu einer Mischung
mit synthetischem Kautschuk verarbeitet, welcher die nachfolgende Zusammensetzung hatte:

Styrol-Butadien-Kautschuk 89,38 Gewichtsteile

Cis-4-butadien-Kautschuk 35,00 Gewichtsteile

Zinkoxyd 3,00 Gewichtsteile

Stearinsäure i,75 Gewichtsteile

Santocure 1,40 Gewichtsteile

Sundex 790 25,62 Gewichtsteile

Wingstay 100 2,00 Gewichtsteile

Sunproof Improved 2,50 Gewichtsteile

Ruß 75,00 Gewichtsteile

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Santocure (CBS) ist der Handelsname für als Vulkanisator dienendes N-cyclonexyl-S-benzthiazol-sulfenamid.

Sundex 790 ist der Handelsname für einen Weichmacher der Sun Oil Company. . , -

Wingstay 100 ist der Handelsname für einen Diary1-p-phenylendiamine enthaltenden Stabilisator der Goodyear Tire and Rubber Company.

Sunproof Improved ist der Handelsname für ein Antiozonlsationsmittel der Uniroyal Chemical Company.

In der Tabelle IV sind die Ergebnisse der Analysen und Versuche enthalten. Muster von Rußen nach den Versuchen 7 bis wurden als. Pigmente in verschiedenen Druckfarben und Lacken verwendet, wobei sich zeigte, daß sie ausgezeichnete Eigenschaften als Pigmente hatten·

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	115	Luft Tempera tur und Menge, °C/Nnr7st	Verhältnis von Luft zu Brenn stoff io der Theo rie	Tabelle	III	Ausgangs stoff Temperatur/ Druck _p ^öC/kg/cm²	Ausgangs stoff Menge l/St	Nominelle Verweilzeit Millisekunden
	122	371/1910	150	Menge von KCl g/100 1	Kinetische Energie der Verbrennungs gase in der Zone 40 kg/cm	204/18,0	52	55
Breasetoff-	121	388/2030	152	4,5	0,084	204/17,7	52	52
	126	416/1980	150	0,7	0,091	204/-	48	53 ·
ο	126	399/2060	149	0,0	0,098	204/13,h	45	51 f
00 cn	122	399/2030	147	3,7	0,098	204/13,8	45	52
	115	393/2000	149	0,0	0,091	204/14,1	43	53
cn	122	393/189Q	149	1,9	0,088	204/17,7	52	55
co O	114	382/1970	148	42,3	0,084	204/14,1	46	53
		388/1860	149	45,0	0,088	204/17,7	51	56
		0,7	0,081

	O	Ausbeute kg/1 Ausgangs stoff	Färbekraft nach Welch Densichron % des Standard	Tabelle IV	Absorption von Dibutyl- pb.tb.alat cm⁵/l00 g (ASTM 2414-65T)
	9852/	0,43	218	Analytische Ergebnisse	102
such	CD	0,42	222 237	Mit Iod be stimmte Oberfläche m²/g	125 129
1	CO O	0,39	237	58	117
2		0,37	247	63 83	129
4		0,35	256	9k	119
5		—.	216	100	73
6		—	253	120	72
7			214	62	129
8			90
9		60

Adsorption von Iod (ASTM 1510-60)	Klasse nach ASTM D-2516
78	N 330
91	N 347
111	N 285
129	N 220
135	N 242 -
153	N 110
	N 326

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Man sieht, daß die Ausbeuten nach den Tabellen II und IV der Beispiele 1 und 2 sehr hoch sind für die jeweiligen Arten des Rußes. Bei den üblichen Herstellungsverfahren für ähnliche Ruße werden in der Regel etwa 5 bis etwa 25 % niedrigere Ausbeuten erhalten, als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren· Diese höheren Ausbeuten sind ein wesentlicher Fortschritt der Erfindung·

Die Eigenschaften des vulkanisierten Kautschuks, insbesondere die Zugfestigkeit, die mit Rußen nach den Beispielen erhalten werden, sind denen überlegen, die mit Rußen nach den bisherigen Verfahren zu erzielen sind. Hierbei wird verwiesen auf die Klassifikation nach ASTM-D-2516.

109852/169Ό

Claims

-26-Patentansprüche i. Verfahren zur Herstellung von Ruß, dadurch gekennzeichnet, daß man (a) einen flüssigen oder gasförmigen Brennstoff mit Luft in einer geschlossenen Zone verbrennt, den Druck in dieser Zone um wenigstens etwa 0,07 kg/cm über dem Druck in der Zone (d) hält, und den hierbei entstehenden Strom der Verbrennungsgase aus der Zone (a) ableitet; (b) dem Strom der Verbrennungsgase durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit eine kinetische Energie von mehr als etwa 0,07 kg/cm gibt; (c) in den beschleunigten Strom der Verbrennungsgase quer zur Strömungsrichtung wenigstens einen zusammenhängenden Strom eines verbrennfearen Gases Quer einer verbrennbaren Flüssigkeit mit einem Gehalt von wenigstens 75 Gewichtsprozent Kohlenstoff in einer solchen Menge einführt, daß das Uasetzungsgemisch eine Temperatur von wenigstens etwa 130O0C erreicht und Kohlenstoff sich bilden kann; (d) das in (c) entstandene Uaeetzungsgenisch in einer anderen geschlossenen Zone so lange und unter solchen Bedingungen hält, daß Ruß entsteht; (e) das in (d) entstandene, Kohlenstoffteilchen enthaltende Gemisch auf eine Temperatur abkühlt, bei welcher kein Kohlenetoff sich bildet; (f) den entstandenen Ruß von dem Gasgemisch abtrennt· 109852/1690 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Zone (c) einen flüssigen Brennstoff einführt. 3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß nan als flüssigen Brennstoff ein Erdöldestillat oder einen "cycle stock" verwendet« k, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man den Ausgangsstoff in Form mehrerer Zusammenhangender Ströme in die Zone (c) einführt. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß man in den Strom der Verbrennungegase den Strom oder die Strome des Ausgangsstoffes in der Zone (c) mit einer solchen Geschwindigkeit einführt, daß sie bis zu einer Tiefe von etwa 15 bis 50 % . des Querschnitts des Stromes der Verbrennungsgase in diesen eindringen· 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß man in der Zone (c) die kinetische Energie des Stromes oder der Ströme des Auegangsstoffes und die kinetische Energie des Stromes der Verbrennungsgase bei einem Verhältnis von etwa 1:20 bis etwa 1:200 hält. 109852/1690 212B03Q 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Druck in der Verbrennungszone (a) um etwa O1I bis etwa l»0 kg/cm höher hält als dbn Druck in der Zone (d). 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Verbrennungszone (a) einen im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Brennstoff einfuhrt. t . t : 9. Verfahren nach Anspruch β, dadurch gekennzeichnet, daß man als Brennstoff Methan oder Erdgas verwendet, 10, Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Brennstoff ein Raffinationsgas verwendet, 11, Verfahren nach, einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verbrennungsgase zur Erhöhung ihrer Strömungsgeschwindigkeit gleich nach dem Austritt aus der Zone (a) durch eine sich verengende Zone führt. 12, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Verbrennungezone (a) Luft in einer solchen Menge einfuhrt,daß sie zum Verbrennen von etwa 70 bis etwa 350 % des Brennstoffs genügt, 13» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man den Verbrennungsgasen in der Zone (b) eine kinetische Energie von mehr als etwa & ■ ' ■ 109852/1690 Ik, Verfahren.nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man das Umsetzungsgemiseh zwischen der Zone (e) und der Zone (e) zwischen etwa 1 und etwa 100 Millisekunden verweilen läßt, 15· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Umsetzung des Aus-* gangsstoffes etwa 15 bis etwa 60 % von diesem verbrennt. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Umsetzung des Ausgangsstoffes etwa 20 bis etwa 50 % von diesen verbrennt»; 17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis l6, gekennzeichnet durch eine Verbrennungskammer mit Einlassen für den Brennstoff und die Luft und Bit eines offenen Auslaß für die Verbrennungsgaseι durch eine Bit dem Auslaß aus der Verbrennungskammer in Verbindung stehende Leitung mit wenigstens einer etwa senkrecht in die Leitung mündenden Zuführung für den Ausgangsstoff; und durch eine mit dieser Leitung in Verbindung stehende Umsetzungskamme):, in weicher die zur Bildung von Ruß erforderlichen Bedingungen herrschen, ; ' 18. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer aiii Metall besteht und von außen durch eine Flüssigkeit gekühlt 1st· BAD ORIGINAL

1.09-852/1.890

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