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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Ruß durch thermische
Zersetzung von Kohlenwasserstoffeh Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf
die Herstellung von Ofenruß durch Zersetzung von Kohlenwasserstoffeh, insbesondere
auf ein Verfahren zur Herstellung von Ofenruß, beidem der Kohlenwasserstoff durch
schnelles Einmischen in einen Strom heißer Gase, die durch eine langgestreckte,
wärmeisolierte Reaktionskammer strömen, zersetzt wird. Eine solche Arbeitsweise
ist z. B. in der USA.-P,atentsc'hrift 2378055 beschrieben. Die Erfindung
betrifft auch eine verbesserte Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens
besonders geeignet ist.
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Bei dem in der soeben erwähnten USA.-Patentschrift beschriebenen Verfahren
wird der zu zersetzende Kohlenwasserstoff, der hier als Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
bezeichnet wird, in einen getrennt erzeugten, turbulenten Strom heißer Flammengase,
die durch eine langgestreckte, wärmeisolierte Reaktionskammer mit angenähert gleichförmiger
Querschnittsfläche strömen, derart eingespritzt, daß das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
schnell mit den Flammengasen vermischt, rasch und gleichmäßig auf seine Zersetzungstemperatur
erhitzt und durch die dabei aufgenommene Wärme zersetzt wird. Das resultierende
gasförmige Gemisch zieht weiter durch die Reaktionskammer in einem Zustand starker
Turbulenz. Das gasförmige Gemisch mit darin suspendiertem Ruß wird vom stromabgelegenen
Ende der Kammer abgezogen und gekühlt und der Ruß aufgefangen und abgetrennt.
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Es wurde gefunden, daß bei derartigen Verfahren die Eigenschaften
des anfallenden Rußes wesentlich durch die Geschwindigkeit und. Gle-ichförmigkeit
des
Vermischens des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials mit den heißen Flammengasen beeinflußt
werden. Bemerkenswerterweise werden die Teilchengröße und die die Einmischbarkeit
in Kautschuk bestimmenden Eigenschäften des entstehenden Rußes hierdurch wesentlich
beeinflußt. Im allgemeinen sind die Rußteilchen um so kleiner, je schneller und
gründlicher das Vermischen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials mit den heißen
Flammengasen erfolgt.
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Dank der höhen Geschwindigkeit und der hohen Turbulenz der Flammengase
verläuft das Vermischen des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials im allgemeinen so
schnell, d.aß es wohl mit augenb-licklich bezeichnet werden kann. Die Geschwindigkeit
der pyrolytischen Zersetzung des Ausgangskohlenwasserstoffes bei Berührung mit den
heißen Flammengasen ist jedoch ebenfalls sehr .schnell und steigt im allgemeinen
mit einem Anwachsen der Temperatur und der Länge der Molekülkette des Kohlenwasserstoffes.
DieZeitdauer des.Vermischens und des Beginns der Pyrolyse scheint im Mikrosekundenbereich
zu liegen.
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Die Verwendung. schwererer, normalerweise flüssiger Kohlenwasserstoffe
als Rohstoff für die Herstellung von Ruß ist steigend wichtiger geworden. Die Meisten
schweren Kohlenwasserstoffe, die für diesen Zweck zur Verfügung stehen, z. B. schwere,
relativ preiswerte Rückstände, können nicht ohne übermäßige Spaltung verdampft werden,
und ihre Verwendung bedingt daher, daß sie flüssig in die Reaktionskammer eingespritzt
werden. Wenn sie so verwendet werden, so wird die Schwierigkeit einer gleichmäßigen
Dispergierung der Kohlenwasserstoffe in den heißen Gasen stark erhöht, und dies
wird weiter durch ihre große Zersetzungsgeschwindigkeit kompliziert.
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Da es im allgemeinen wünschenswert ist, den Kohlenwasserstoff gründlich
in den heißen. Gasen zu dispergieren, bevor die Pyralys.e zu dem Punkt fortgeschritten
ist, an dem Kohlenstoffteilchen gebildet werden, wird die Geschwindigkeit der gleichmäßigen
Vermischung besonders wichtig, wenn zum Unterschied vom Erdgas, das im wesentlichen
aus Methan besteht, höhermolekulareKohlenwasserstofffe als Ausgangsstoffe verwendet
werden. Es wurden schon verschiedene Verfahren vorgeschlagen, das schnellere und
gleichmäßigere Vermischen dieser schwereren Kohlenwässerstoffe mit den Flammengasen
zu begünstigen. -Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Zeitdauer zwischen
der ersten Berührung des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials mit den heißen Gasen-
und -der gleichförmigen, vollständigen Dispergierung - des. Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
zu verkürzen.
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Dies wird gemäß -der vorliegenden Erfindung durch starke Erhöhung
der Turbulenz der Flammengase in der Zöne .der Kammer, in die das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
eingespritzt wird, d. h. die Mischzone, erreicht, indem- man in dieser Zone getrennte
Ströme heißer Flammengase so zusammen bringt, daß diese Ströme mit beträchtlicher
Gewalt aufeinandertrefferi, aber ohne ernsten Verlust an kinetischer Bewegungsenergie
in Längsrichtung durch die Kammerströmen.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
erzeugt man, gesondert voneinander, zwei oder mehrere Ströme heißer Flammengase
mit hoher Geschwindigkeit und hoher Turbulenz in gesonderten, langgestrecken Verbrennungskammern
und führt die resultierenden Gase als getrennte, symmetrisch zueinander .angeordnete
Ströme in das stromauf gelegene Ende der Reaktionskammer ein. Hierbei werden die
Ströme gegeneinander und gegen die Achse der Kammer in einer allgemein stromabgerichteten
Richtung ,gegeneinander geneigt, und man spritzt das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
in die resultierende Zone verstärkter Turbulenz und Aufeinanderschlagens gesondert'ein.
Man kann das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in die Mischzone als ein oder mehrere
Ströme in einer Richtung im wesentlichen Parallel zur Längsachse einspritzen, man
kann es aber auch mit Vorteil in die Mischzone in ein oder mehreren getrennten Strömen,
die angenähert im rechten Winkel zur Längsachse der Kammer eintreten, einspritzen.
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Die Reaktionskammer selbst kann von angenähert gleichförmigem Querschnitt
über ihre ganze Länge sein, es ist .aber vorteilhafter, sie im Querschnitt in der
Zone der Ausgangsgaseinspritzung oder direkt hinter der Mischzone etwas zu verengen.
Ferner kann die Reaktionskammer einen im allgemeinen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Gewöhnlich können, wenn eine Reaktionskammer mit kreisförmigem Querschnitt verwendet
wird, zwei oder mehrere konvergierende Ströme von Flammengasen symmetrisch um die
Längsachse der Kammer angeordnet und konvergierend gegen diese Achse in einer im
allgemeinen stromabwärts gerichtetenRichtung mit Vorteil verwendet werden. Bei Verwendung
einer rechteckigen Kammer mit größerer Höhe als Breite können ein oder mehrere Paare
einander gegenüber angeordneter Flammengasströme gleichmäßig gegen oder in gleichmäßigen
Abständen über die Höhe der Reaktionskammer angeordnet verwendet werden.
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Durch das Aufeinanderprallen der eintretenden konvergierenden heißen
Flammengasströme wird die Turbulenz in der Mischzone verstärkt. Bei einer solchen
Arbeitsweise ist es jedoch wichtig, daß ein hohes Ausmaß der Turbulenz durch die
ganze Reaktionskammer hindurch aufrechterhalten bleibt. Aus diesem Grund soll eine
.übermäßige Zerstreuung der kinetischen Energie der heißen Gasströme in der Mischzone
vermieden werden.
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Es wurde gefunden, daß ein befriedigendes Aufeinanderprallen zur Erzielung
des gewünschten Turbulenzgrades ,erreicht wird, wenn der Konvergenzwinkel der einzelnen
Ströme zueinander 6o° -oder mehr beträgt. Damit ,aber die kinetische Energie der
eintretenden heißen Gasströme weitgehend aufrechterhalten bleibt, sollte der Winkel
zwischen der Längsachse- der einzelnen Ströme oder der Verbrennungskammern mit der
stromauf verlängei
#ten Längsachse der Reaktionskammer 6o° nicht
überschreiten, mit anderen Worten, der Konvergenzwinkel der eintretenden Strompaare
der heißen Flammengase, die symmetrisch gegen die Längsachse der Reaktionskammer
angeordnet sind, sollte mindestens 6o°, aber höchstens 12o° betragen.
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Die Erfindung ist in ihrem allgemeineren Sinn nicht auf das Verfahren
und die Mittel, durch die die gesonderten Ströme heißer Flammengase erzeugt werden,
beschränkt, noch auf die Verhältnisse, in denen das brennbare Gas und das sauerstoffhaltige
Gas in dem verwendeten brennbaren Gemisch enthalten sind. Das heißt also, die Flammengase
können oxydierend, neutral oder reduzierend sein. Es ist naturgemäß wichtig, daß
diese Ströme heißer Gase sich auf einer Temperatur oberhalb derjenigen befinden,
bei der das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial' zu Ruß zersetzt wird, und daß gesonderte
Ströme der Reaktionskammer mit verhältnismäßig großen Geschwindigkeiten zugeführt
werden.
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Bei der üblichen Durchführung des Verfahrens nach der USA.-P,atentsdhrift
2378055 wird eine größere Wärmemenge aus der Verbrennungszone auf das kühlere,
stromabgelegene Ende der Ofenkammer ausgestrahlt. Dies wird gemäß der vorliegenden
Erfindung vermieden, indem die Verbrennungskammer so angeordnet ist, daß jede Kammer
gegen eine Seitenwand der anderen Verbrennungskammer des Paares gerichtet ist oder
gegen eine Verlängerung derjenigen Wand, die auf Rotglut erhitzt ist und zum Ausstrahlen
oder Reflektieren von Wärme in die Verbrennungskammer dient. Hierdurch können die
Leistung und die Geschwindigkeit der Verbrennung und damit die Geschwindigkeit und
die Temperatur der Gase, die der Mischzone zugeleitet werden, wesentlich erhöht
werden.
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Die Erfindung ist auf die Verwendung verschiedener Arten von Kohlenwasserstoffausgangsstoffen
anwendbar, einschließlich normalerweise gasförmiger Köhlenwasserstoffe, z. B. Erdgas
und Kohlenwasserstoffgase, die durch Beimischen von Dämpfen normalerweise flüssiger
Kohlenwasserstoffe angereichert sind, insbesondere wenn ein Ofenruß von außerordentlich
kleiner Teilchengröße gewünscht wird. Dies ist jedoch insbesondere vorteilhaft,
wenn ein schwerer, normalerweise flüssiger Ausgangsstoff verwendet wird, wobei das
Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in die Mischzone als flüssiger Sprühregen eingemischt
werden kann. Im letztgenannten Fall kann der flüssige Kohlenwasserstoff mit Vorteil
mit Hilfe von Sprühdüsen in die Reaktionskammer eingespritzt werden.
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DieErfindung sei weiter beschrieben und erläutert unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen, die in üblicher Weise etwas schematisch und fragmentarisch
eine besonders zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung darstellen.
Es sei jedoch verstanden, daß die Erfindung nicht auf diese besonders beschriebene
Ausführungsform beschränkt ist. Fig. i ,ist ein Horizontalschnitt in der Längsrichtung
der Vorrichtung, beider die Verbrennungskammern und die Reaktionskammer kreisförmigen
Querschnitt besitzen; Fig. 2 ist ein Teilquerschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig.
i ; Fig. 3 ist ein Teilquerschnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. i, mit Blickrichtung
stromaufwärts; Fig. 4 ist ein horizontaler Längsschnitt einer Vorrichtung, bei der
die Verbrennungskammern und die Reaktionskammer rechteckigen Querschnitt besitzen;
Fig.5 ist einTeilquerschnittentlangderLinie5-5 der Fig. 4, mit Blickrichtung stromaufwärts;
Fig. 6 ist ein Teilquerschnitt entlang derLinie 6-6 der Fig. 4, mit Blickrichtung
stromaufwärts.
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In diesen Zeichnungen sind die entsprechenden Elemente mit den gleichen
Bezugszahlen bezeichnet. In Fig. i, z und 3 ist eine langgestreckte Reaktionskammer
mit kreisförmigem Querschnitt mit i bezeichnet und ausgekleidet und begrenzt durch
feuerfeste Stoffe 2, die mit einer Schicht wärmeisolierender Stoffe 3 bedeckt sind,
die alle durch ein äußeres Metallgehäuse 4 umgeben sind. Am stromauf gelegenen Ende
der Reaktionskammer i befinden sich zwei Verbrennungskammern 5 mit kreisförmigem
Querschnitt, die in einem Winkel von etwa 6o° gegen die Längsachse der Reaktionskammer
konvergieren. Diese Verbrennungskammern 5 sind ebenfalls mit feuerfesten Stoffen
ausgekleidet, .die den hohen Temperaturen widerstehen können. Diese wiederum sind,
mit einer Schicht aus wärmeisolierendem Material eingefaßt, durch ein äußeres Metallgehäuse
umgeben.
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Am Außenende jeder Verbrennungskammer ist ein Gebläsebrenner 6 vorgesehen,
der einen Brennerblock 7 aus hochfeuerfestem Material enthält, der am Außenende
der Verbrennungskammer angebracht ist und eine Anzahl von Brenneröffnungen 8 besitzt,
die durch den Brennerblock verlaufen. Diese Brenneröffnungen sind in gleichmäßigem
Abstand über den Querschnitt des Brennerblocks angeordnet und an ihrem Außenende
gegen den Windkasten 9 offen, dem Verbrennungsluft unter Druck durch die Öffnung
io aus einer geeigneten Quelle, z. B. einem Gebläse, zugeführt wird. Koaxial zu
jeder Brenneröffnung befindet sich ein Brennstoffeinspritzer i i, der durch ein
Röhr 12 mit dem Brennstoffverteiler 13 verbunden ist, dem Brennstoff, z. B. Erdgas,
unter Druck durch Leitung 14 zugeführt wird.
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Gebläsebrenner der in der Zeichnung angegebenen Art, wie sie auch
in der USA.-Patentschrift :2529873 beschrieben sind, haben sich für den vorliegenden
Zweck als besonders geeignet erwiesen. Aber es sei verstanden, daß auch andere Brennerarten,
die zur Erzeugung eines 'heißen Flammengasstromes von großer Geschwindigkeit und
großer Turbulenz geeignet sind, verwendet werden können, z. B. können Brenner mit
Vormischung verwendet werden.
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In der abgebildeten Vorrichtung ist nur Vorsorge für die Zuführung
von zwei Strömen heißer Verbrennungsgase zur Reaktionskammer getroffen.
Es
sei jedoch verstanden, däß .auch mehr als zwei solcher Gasströme verwendet werden
können. Zum Beispiel können in der beschriebenen Vorrichtung drei solcher Verbrennungskammern
im Winke'1 von je i2o° zueinander vorgesehen sein, oder auch vier solcher Verbrennungskammern
im Winkel von je 9o° zueinander. Es ist im .allgemeinen vorteilhaft, die Verbrennungskammern
symmetrisch um die Längsachse der Reaktionskammer anzuordnen, um einen gleichmäßigen
Strom durch die Kammer zu erzielen. Die konvergierenden Ströme heißer Gase können
auch anderweitig erzeugt und der Mischkammer durch konvergierende Leitungen, die
in ähnlicher Weise an den Verbrennungskammern angeordnet sind, zugeleitet werden,
wobei vorgesehen wird, daß die heißen Gase mit -der erforderlichen höhen Temperatur
zugeführt und die gesonderten Ströme unter Bedingungen, die hohe Geschwindigkeit
und große Turbulenz gewährleisten, zugeleitet werden.
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Wie oben beschrieben, treffen die konvergierenden heißen Gasströme
mit solcher Gewalt aufeinander, daß sie außergewöhnlich heftigeTurbulenz erzeugen.
Das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial kann in die resultierende Zone extrem hoher
Turbulenz in der Richtung der Längsachse der Reaktionskammer durch die Einspritzeinrichtung
15 eingespritzt werden, es kann jedoch auch radial in die Zone der extremen Turbulenz
durch eine Vielzahl radial gerichteter Injektoren 15" eingespritzt werden. Vier
solcher Injektoren sind in Fig. 3 gezeigt.
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Die Injektoren 15 und i5' können einfache Rohre aus hitzebeständigem
Material mit offenen Enden sein. Solche Injektoren 'können mit Vorteil verwendet
werden, `nenn .das Ko'hlenwasserstoffausgangsmaterial als Gas oder Dampf eingespritzt
wird. Wenn. jedoch ein schweres, normalerweise flüssiges Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
ver-. wendet wird, halben die Elemente 15 und 15' vorteilhaft die Form von Zerstäubungssprühdüsen,
wie sie z. B. in der Zeichnung wiedergegeben sind.
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Diese Sprühdüsen werden vorteilhaft mit Wasser gekühlt, wobei das
Kohlenwasserstoffausgangsmaterial durch -die Leitung 17, ein gasförmiges
Medium, z. B. Luft oder Dampf; für die Zerstäubung des #öles durch die Leitung i8
und Wasser zum Kühlen der Düse durch die Leitung ig eingeführt werden und letzteres
2m Kreislauf durch den Düsenmantel geführt und durch die Leitung 2o abgezogen wird.
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Falls_gewünscht, kann ein Teil des Kohlenwasserstoffausgangsmaterials
durch den längs gerichteten Injektor 15 und der übrige Teil durch die radialgerichteten
Injektoren 15' eingespritzt werden, es braucht aber auch nur eines der Mittel 15
oder 15' zum Einspritzen der Koh.lenwasserstoffe verwendet zu werden.
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In der eben beschriebenen Vorrichtung ist die langgestreckte Reaktionskammer
i am stromauf gelegenen Ende im Querschnitt verengt, wobei der Hauptzweck hierfür
das Erhöhen der Viskosität und der Turbulenz des heißen durchströmenden Gasstromes
ist. Diese Gasbeschleunigungszone ist besonders vorteilhaft, wenn ein flüssiges
Kohlenwasserstoffausgan:gsrnaterial radial in die Kammer durch radialgerichtete
Sprühdüsen 15' eingespritzt wird.. Wie oben angegeben, kann jedoch die Reaiktions-
und Mischkammer auch über ihre ganze Länge im wesent'lic'hen gleichförmngen Querschnitt
aufweisen.
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Obgleich Öfen der eben beschriebenen Art Verbren .nungskammern und
Reaktionskammern mit kreisförmigem Querschnitt haben und mit Vorteil verwendet wurden,
wurde, gefunden, daß es noch vorteilhafter ist, besonders bei großen Anlagen, Öfen
zu verwenden, in denen @die Verbrennungs- und die Reaktionskammern von rechteckigem
Querschnitt :sind, wie eingehender durch die Fig. q., 5 und 6 dargestellt ist.
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In dieser bevorzugten Vorrichtung haben die Reaktionskammer i und
die Verbrennungskammern 5 rechteckigen Querschnitt, vorzugsweise etwa doppelt so
hoch wie breit, wie deutlidh aus den Fig. 5 und 6 ersichtlich ist. Die Gebläsebrenner
sind praktisch die gleichen. wie die vorher beschriebenen mit der Abweichung, daß
die Brennerblöcke 7 rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Höhe der Reaktionskammer
ist in der gezeigten Vorrichtung nahezu gleich der Höhe der Verbrennungskammern,
aber, wie vorher angegeben, kann eine Vielzahl von Verbrennungskammern verwendet
werden, die gleichmäßig im Abstand voneinander über die Höhe der Reaktionskammer
verteilt sind, falls dies gewünscht ist.
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Die Reaktionskammer ist überall. von nahezu gleichmäßiger Höhe, aber
in .ihrer Breite an ihrem stromauf gelegenen Ende, wie angegeben, verengt. Vorteilhaft
beträgt die größte Breite der Reaktionskammer etwa 30 cm und die geringste
Breite etwa 15 cm oder etwas weniger.
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Wie deutlich aus der F.ig. 6 hervorgeht, sind Einspritzvorrichtungen
15' für den KoMenwasserstoffausgangsstoff gleichmäßig über die Höhe der Reaktionskammer
auf deren gegenüberliegenden Seiten verteilt. Zwei weitere Einspritzeinrichtungen
15' sind senkrecht dazu angeordnet, um das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial in
entgegengesetzten Strömen von oben nach unten und von unten nach oben in den Gebläsegasstrom
einzuspritzen. Es können entweder nur die horizontalen oder nur die vertikalen Einspritzeinrichtungen
verwendet werden, es können aber auch alle diese Einspritzeinrichtungen gleichzeitig
benutzt werden. Mit besonderem Vorteil wird jedoch das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
in dis turbulenten Gebläsegasströme unter Verwendung lediglich der oberen, und-
der unteren senkrechten Einspritzeinrichtungen eingeführt, so daß das Ausgangsmaterial
in Richtung des größten Durchmessers der Qüerschnittsfläche der Kammer eingespritzt
wird und die Wahrscheinlichkeit, daß der Strom des Ausgangsmaterials auf die gegenüberliegende
Wandung trifft, vermindert wird.
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Wird der Querschnitt der Reaktionskammer an oder nahe seinem stromauf
gelegenen Ende verengt, wie in den Zeichnungen gezeigt ist, dann ist es
wichtig,
daß gewisse Bedingungen mit Rücksicht auf den. verminderten Querschnitt sorgsam
beachtet .werden. Vom stromauf gelegenen Ende soll eine gebogene Annäherung an die
Gasbeschleunigungszone vorhanden sein, um eine glatte Gasströmungsfläche zu erzeugen,
so daß die Reibungsverluste vermindert und Wirbelströme vermieden werden. Jede plötzliche
und übertriebene Änderung in der Strömungsrichtung durch die Kammer oder eine scharfe
Kante innerhalb der Kammerwand in der Zone der Einspritzung des Ausgangsmaterials
ruft leicht Wirbel.. in der Einspritzzone des Ausgangsmaterials hervor und führt
dann zu örtlicher Koksbildung an den Wänden. Diese Vorsichtsmaßnahmen sollen auch
beachtet werden, wenn die Reaktionskammer überall von nahezu gleichmäßigem Querschnitt
ist.
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Wie oben bemerkt, .ist die Querschnittsvergrößerung am stromab gelegenen
Ende der Reaktionskammer kein wesentliches Merkmal der Erfindung. Sie kann jedoch
vorteilhaft zur Herabsetzung der Ofenlänge unter Beibehaltung der Verweildauer und
zum Ausgleich des Druckgefälles, das in der verengten Zone der Kammer herrscht,
dienen.
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Die Geschwindigkeitsbeschleunigungszone kann, wenn sie verwendet wird,
sich über eine beliebige gewünschte Strecke stromab erstrecken. Dabei ist es wünschenswert,
daß - in Strömungsrichtung der Gase gesehen - beim übergang zur engsten Stelle die
Kammerwände mit der Längsachse der Kammer einen Winkel von nicht wesentlich mehr
als i i° bilden und daß beim Verlassen der engsten Stelle der Verlauf der Kammerwände
noch gerader ist und mit der Längsachse einen Winkel von nicht mehr als etwa 4°
bildet. Das Ausmaß der Querschnittsverminderung kann in Abhängigkeit in erster Linie
von dem zulässigen Rückdruck und der gewünschten Geschwindigkeitserhöhung variieren.
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Die in der angegebenen Art konstruierte Beschleunigungszone bei oder
unmittelbar bei der Zone des ersten Zusammentreffens zwischen dem Ausgangsmaterial
und dem heißen Gebläsegas kann, wie oben angegeben, mit Vorteil in Verbindung mit
den zuvor beschriebenen konvergierenden Strömen aus Flammengasen angewendet werden
und arbeitet mit diesen unter Bildung einer Zone weitergesteigerter Geschwindigkeit
und Turbulenz zusammen und beschleunigt somit die Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit
des Vermischens.
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Das Verhältnis, der Querschnitte der konvergierenden Ströme der heißen
Gase zum Querschnitt der Mischzone oder Reaktionskammer kann gleichfalls variieren,
wobei die optimale Flächenbeziehung in erster Linie von der Anzahl der konvergierenden
Ströme, dem zulässigen Rückdruck und der gewünschten Lineargesdhwindi.gkeit des
vereinigten Gasstromes durch den Rest der Reaktionskammer abhängt und die letztgenannte
wesentlich die Zeitdauer beeinflußt, während der das Kohlenwasserstoffausgangsmateri-al
oder die daraus entstehenden Kohlenstoffteilchen mit den :heißen Gasen in Berührung
bleiben.
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Es ist im allgemeinen wünschenswert, daß die Summe der Querschnitte
der konvergierendem heißen Gasströme mindestens gleich der Querschnittsfläche der
Reaktionskammer ist, wenn diese Kammer überall nahezu gleichen Querschnitt aufweist,
oder mindestens gleich dem größten Querschnitt der sich allmählich erweiternden
Reaktionskammer, wenn eine Vorrichtung, wie in den Zeichnungen dargestellt, verwendet
wird. Wenn der dabei resultierende Rückdruck zulässig ist und extrem hohe Lineargeschwindigkeiten
durch die Reaktionskammer gewünscht werden, kann die Summe der Querschnitte der
@lconve:rgierenden heißen Gasströme den OOuersohnitt der Reaktionskammer weit überschreiten.
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Im Betrieb werden die heißen Flammengase, die in den Verbrennungskammern
5 entstehen, mit hoher Geschwindigkeit in das stromauf gelegene Ende der Verbrennungskammer
geleitet und treffen mit großem Aufprall aufeinander, wodurch eine Zone außerordentlicher
Turbulenz erzeugt wird. Die Temperatur der heißen Gasströme kann beträchtlich variieren
,in Abhängigkeit von der Art des zu zersetzenden Kohlenwasserstoffes und den gewünschten
Eigenschaften des Endproduktes. Normalerweise weisen diese Gasströme eine Temperatur
von etwa iioo bis 165o° auf, und. es@ ist infolgedessen wichtig, daß die Innenwände
der Verbrennungskammer und der Reaktionskammer aus Material, vorteil'hafterweise
aus Tonerde, Mullit od. dgl., bestehen.
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Bei Anlagen, die eine einzige Verbrennungszone enthalten, wie z. B.
die in der USA.-Patentschrift a 529 873 gezeigte, wird. häufig, wenn die
Gebläsegeschwindigkeit 24 bis 38 m je Sekunde übersteigt, eine Abnahme der Temperatur
der resultierenden Flammengase beobachtet, anscheinend infolge unvollständiger Verbrennung.
Wird die Geschwindigkeit auf über 6o m je Sekunde erhöht, dann wird die Flamme unbeständig
und neigt dazu, von der Vorderseite dies Brennerblockes abzureißen. Die höchsterreichbare
Geschwindigkeit der Flammengase in der Zone der Verm.isdhung mit dem Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
hängt von dieser praktischen Grenzbedingung ab.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können Geschwindigkeiten, die früher
praktisch nicht erreichbar waren, leicht unter optimalen Verbrennungsbedingungen
erzielt werden.
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Wie oben angegeben, ist es gewöhnlich wünschenswert, insbesondere
wenn ein flüssiger Kohlenwasserstoff verwendet wird, das Ausgangsmaterial als einen
feinstzerstäubten Sprühregen in die B.eschleun.igungszone der Ofenkammer einzuspritzen
in einer Richtung senkrecht zu deren Längsachse. Vorteilbafterweise werden die Zerstäubungsdüsen
15' .einander direkt gegenüber angeordnet, da dies, wie gefunden wurde, die Gleichmäßigkeit
des Vermischens und des resultierenden Gemisches begünstigt.
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Die vorliegende verbesserte Vorrichtung schafft Mittel, durch die
das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial außerordentlich schnell und gleichmäßig mit
den heißen Flammengasen vermischt und in
feinverteilten kolloidalen
Kdhl,enstoff umgewandelt wird, selbst wenn das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
eine schwere Flüssigkeit, z. B. hocharomatische Öle aus dem Rückstand der thermischen
Spaltung eines Kreislauföles aus der katalytischen Spaltung, ist. Ein solcher flüssiger
Kohlenwasserstoff kann z. B. eine Dichte von etwa I,o29 bis I,127 und einen Stockpunkt
unter 27° haben und wurde mit besonderem Vorteil verwendet.
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Die Maße und die Maßverhältnisse der vorliegenden verbesserten Vorrichtung
können, wie oben angegeben:, beträchtlich variieren: Eine Vorrichtung, die mit besonderem
Vorteil -verwendet wurde, enthielt zwei Verbrennungskammern; im wesrentlichen wie
in den Fig. 4, 5 und 6 der Zeichnung gezeigt ist, wobei jede Verbrennungskammer
12,5 cm breit,- 15 cm hoch und 52,5 cm lang war. Diese Verbrennungskammern belieferten
die Reaktionskammer, deren Gäsbeschleunigungsteil im wesentlichen 1ö crri breit
und 15 cm -hoch war und deren Länge von diesem Abschnitt bis zur Austrittsstelle
aus der Reaktionskammer ungefähr 18o cm betrug. Das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
wurde in der Längsrichtung, wie in der Zeichnung bei 15 angegeben, bei. einem Punkt,
30 cm entfernt vom Gasbeschleunigungsabschnitt, eingeführt. Die im Gasbeschleunigungsabschnitt
erreichten Geschwindigkeiten waren 2,5mal so groß wie die normalen Gebläsegasgeschwindigkeiten,
die in rechteckigen Kammern üblicher Bauart bisher erreicht wurden.
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In der eben beschriebenen Vorrichtung wurde bei Verwendung eines gasförmigen
Kohlenwasserstoffes ein Ofenruß mit einer Teilchengröße von 2o bis 25 Millimikron
oder weniger erzeugt mit einer Farbe im Bereich von 157 bis 170 und mit außerordentlich
hohen Zugfestigkeiten in Kautschuk.
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Wegen der außerordentlichen Turbulenz in der Mischzone wird: das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial
außerordentlich schnell und gleichmäßig mit den heißen Gasen vermischt und durch
die dabei aufgenommene Wärme schnell zersetzt, wonach das resultierende Gemisch
weiterhin durch die Reaktionskammer im Zustande hoher Turbulenz zieht.
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Wenn das Kohlenwasserstoffausgangsmaterial als Flüssigkeitssprühregen
eingeführt wird, scheinen die Flüssigkeitströpfchen durch die auflerordentliche
Turbulenz der heißen Gase sofort zerschlagen und auseinandergerissen und in den
heißen Gasen in allerfeinsten Teilchen dispergiert zu werden. Auf Grund dieser schnelleren
Dispergierung können Ofenruße mit extrem hohen Farbwerten, einem charakteristischen
Merkmal einer 'kleinen Teilchengröße, sogar aus schweren Kohlenwasserstoffrückstandsfraktionen
erzeugt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die mit hei Verwendung eines schweren
flüssigen Ausgangs--materials zu erzielenden Vorteile werden durch das folgende
Beispiel einer Arbeitsweise beschrieben, die in der Vorrichtung durchgeführt wurde,
wie -sie in den Fig. 4 bis 6 dargestellt ist-. Die maximale Breite der Reaktionskammer
betrug 29 cm; die Breite der Gasbeschleunigungszone der Kammer 11,5 cm, die Breite
der beiden Verbrennungskammern 29 cm und die Höhe der Verbrennungskammern und der
Reaktionskammer etwa 21,5 cm. In dieser Vorrichtung betrug die Länge der Verbrennungskammern
'etwa 6o cm und die Länge der Reaktionslcammer etwa 274 cm. -Bei dieser Arbeitsweise
wurde den Gebläsebrennern Luft in einer Menge von etwa 1416 m3 je Stunde und Erdgas
in einer Menge von etwa 124 m3 je Stunde zugeführt, so daß im Gebläsegas das Verhältnis
Luft - zu Erdgas ungefähr 11,4 betrug. Bei Verwendung allein der senkrecht angeordneten
Einspritzvorrichtüngen 15' für- da's Kohlenwasserstoffausgangsmaterial an der -
Verengung der Reaktionskammer wurde ein schweres Rückstandsöl; wie oben beschrieben,
-als Sprühregen in die heißen Flammengase @in einer Menge von etwa 1341 je Stunde
eingeführt. Die Temperatur der - Flammengase betrug unmittelbar vor dem Vermischen
T1 etwa 16o5°, und an einer Stelle unmittelbar hinter der Einspritzzone des Ofens
für das Ausgangsmaterial war die Temperatur T, etwa 116o°, während die Gase aus
der Reaktionskammer bei einer Temperatur T3 von etwa 1355° austraten. Durch diese
Reaktion wurden o,457 kg Ruß je Liter .Öl mit einer ABC-Farbz2hl 134, einer Deckkraft
von 124 im Vergleich zu 113 für Kanalruß für die Kautschukindustrie und mit einem
Ölabsorptionswert von etwa 1,651 Öl je Kilogramm Ruß Bei einer ähn1nchen Arbeitsweise,
bei der die Flammengase unmittelbar vor dem Vermischen eine Temperatur von etwa
148o° hatten, war-diese unmittelbar unterhalb der Mischzone etwa iooo°, und die-Flammengase
traten aus der Reaktionskammer mit einer Temperatur von etwa 128o° aus.. Das Kählenw.ass-erstofföl
wurde in die Flammen> gase in Mengen von etwa 2221/Std. eingespritzt, und es wurden
etwa 0,497 kg Ruß je Liter 01
erzeugt mit- einer ABC-Farbzahl von 117,
einer Deckkraft von- iio und einem Ölabsorptionswert von I,341/kg Ruß.
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Aus dem vorstehenden Beispiel ist ersichtlich,-daß durch Veränderung
der ATbeitsbedingungen, insbesondere der in der -Zeiteinheit zugeführten (#lmenge,
die Eigenschaften und Ausbeuten des anfallenden Rußes :erheblich verändert werden
können.
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Die Arbeitsbedingungen konnten im allgemeinen, beträchtlich variiert
werden. Zum Beispiel konnte in einer Vorrichtung der eben beschriebenen Größe die
Luftzufuhr für die Verbrennung zwischen etwa 1133 und etwa 1982 m3/Std. und das
Verhältnis von Luft zu Brennsteff innerhalb des Bereiches von 9 : i bis 14 : 1 variiert
werden. Ist ein Ruß sehr kleiner Teilchemgröße erwünscht, sollte die Zufuhr des
Öles im Bereich von etwa 0,093 bis etwa o,186 1/m3 Luft betragen. Aber wenn
ein Ruß mit etwas größerer Teilchengröße erwünscht ist, kann die Zufuhr des Kohlenwasserstofföles
bis auf
etwa 0,2701/m3 Luft oder noch höher gesteigert werden.
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Bei weiteren Versuchen der eben beschriebenen Art unter Verwendung
eines schweren Öles der gleichen Art und der in der folgenden Aufstellung angegebenen
Betriebsbedingungen wurde ein. Ruß in den angegebenen Ausbeuten erzielt:
| Versuch |
| A B |
| Luft, m3/Stunde ......... 1133 1415 |
| Brennstoffgas, m3/Stunde.. 1a9 157 |
| Ölzufuhr, 1/Std. ......... 1o3 136 |
| TI, links ° C . . . . . . . . . . . . 1430 1425 |
| T1, rechts °C ........... 1475 1465 |
| T2, °C ................. 1195 1180 |
| T3, °C ........... ..... 1495 146o |
| Ausbeute, kg Ruß/1 Öl .... 0,51 0,48 |
| ABC-Farbzahl . . . . . . . . . . 103 107 |
| Deckkraft, % Statex B ... 103 ioo |
| Ölabsorption, 1/kg .... ... 1,65 1,67 |