DE112023000707T5

DE112023000707T5 - Verfahren zur Herstellung von Rußen aus ertragsarmen Rohstoffen und daraus hergestellte Produkte unter Verwendung von Plasma oder elektrisch beheizten Verfahren

Info

Publication number: DE112023000707T5
Application number: DE112023000707.1T
Authority: DE
Inventors: David M. Matheu; Geoffrey D. Moeser; Theis F. Clarke; Thomas E. McElwain; David S. Crocker; Akshay Gopan; Frederick H. Rumpf; William M. Porteous
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2023-01-18
Publication date: 2024-11-14
Also published as: NL2034035B1; FR3132303A1; US20250115766A1; JP2025504654A; NL2034035A; WO2023147235A1; KR20240135849A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Ruß aus ertragsarmen Rußrohstoffen werden beschrieben unter Verwendung eines Verfahrens, das die Verwendung von elektrische Energie zur Bildung von Ruß aus einem Rußrohstoff beinhaltet. Ruße, die aus diesen Rußrohstoffen hergestellt werden, sind weiter beschrieben. Die mit diesen Verfahren erzielten Vorteile werden ferner beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Ruß hergestellt aus alternativen rußbildenden Rohstoffen, die in vielen Fällen gasförmige und/oder ertragsarme Rohstoffe umfassen können. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren zur Herstellung von Rußen, bei denen Plasma- oder elektrisch beheizte Verfahren eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf Ruße, gebildet aus alternativen rußbildenden Rohstoffen, die gasförmige und/oder ertragsarme Rußrohstoffe enthalten.
Ruß wurde verwendet, um die mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften von Zusammensetzungen zu verändern. Ruße und andere Füllstoffe werden als Pigmente, Füllstoffe und/oder Verstärkungsmittel bei der Mischung und Herstellung von Zusammensetzungen verwendet, die in Gummi-, Kunststoff-, Papier- oder Textilanwendungen eingesetzt werden. Die Eigenschaften des Rußes oder anderer Füllstoffe sind wichtige Faktoren bei der Bestimmung verschiedener Leistungsmerkmale dieser Zusammensetzungen. Wichtige Verwendungszwecke von Elastomermischungen betreffen die Herstellung von Reifen, und oft werden zusätzliche Bestandteile hinzugefügt, um dem Endprodukt oder seinen Bestandteilen bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Ruße wurden verwendet, um funktionelle Eigenschaften, elektrische Leitfähigkeit, Rheologie, Oberflächeneigenschaften, Viskosität, Aussehen und andere Eigenschaften von Elastomerzusammensetzungen und anderen Arten von Zusammensetzungen zu modifizieren.
Das herkömmliche und am weitesten verbreitete Verfahren zur industriellen Herstellung von Rußen ist das Furnace-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird ein erster flüssiger kohlenstoffhaltiger Rohstoff, wie z. B. Dekantieröl, in einen brennstoffarmen heißen verbrannten oder Verbrennungsgasstrom eingespritzt. Ein Teil des Rohstoffs pyrolysiert zu Ruß und Nebenprodukten (hauptsächlich Wasserstoff); der Rest oxidiert zu CO, CO₂ und H₂O. Der übliche oder herkömmliche Rohstoff ist Dekantieröl, Slurryöl, Kokeröl, ein Kohlenteerderivat oder ein schwerer flüssiger Rückstand aus einem Ethylen-Cracker-Prozess. Diese Rußrohstoffe sind gleichzeitig schwer (spezifisches Gewicht > 1,02), haben ein H:C-Atomverhältnis von höchstens 1,23, sind reich an Aromaten (Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) ≥ 100) und sind bei Raumtemperatur und Druck (z. B. 25 °C bei 1 atm) Flüssigkeiten. Sie alle werden im Allgemeinen aus fossilen Brennstoffen gewonnen.
Elektrisch beheizte Rußverfahren sind eine Alternative zu den in US-Patent Nr. 1,536,612 beschriebenen Furnace-Rußverfahren. Bei diesen Verfahren wird Elektrizität verwendet, um einen Teil oder die gesamte Energie bereitzustellen, die für den Antrieb der schnellen Hochtemperaturpyrolyse eines kohlenstoffhaltigen Rohstoffs zu Rußpartikeln und Nebenproduktgasen erforderlich ist. Dies steht im Gegensatz zum Furnace-Verfahren, bei dem die teilweise Verbrennung eines Brennstoffs diese Energie bereitstellt. Die verbrannten Gase werden entweder innerhalb des kohlenstoffhaltigen Rohstoffs erzeugt oder direkt mit diesem vermischt, um dessen Pyrolyse zu Ruß voranzutreiben. Obwohl das Furnace-Verfahren die kommerzielle Herstellung von Ruß dominiert, bietet ein elektrisch angetriebenes Verfahren einen oder mehrere potenzielle Vorteile gegenüber dem Furnace-Verfahren.
Ein elektrisch angetriebenes Verfahren kann erneuerbare Elektrizität anstelle der Verbrennung fossiler Brennstoffe nutzen, wodurch dieses Verfahren im Vergleich zum Furnace-Verfahren eine wesentlich geringere Treibhausgasbilanz aufweist. Elektrisch betriebene Verfahren können eine höhere Ausbeute an Ruß pro verbrauchter Rohstoffeinheit aufweisen, wodurch im Vergleich zum Furnace-Verfahren Betriebskosten eingespart werden. Der Einsatz von elektrischer Energie zur Bereitstellung eines Großteils oder der gesamten für die Pyrolyse benötigten Energie ermöglicht eine bessere Kontrolle über die chemische Umgebung in der Gasphase, in der sich der Ruß bildet. Da die Energie nicht vollständig aus der Verbrennung stammen muss, kann die chemische Umgebung während der Partikelbildung stärker reduzierend (im Gegensatz zu oxidierend) gestaltet werden. Dies bietet eine zusätzliche Methode zur Kontrolle der endgültigen Oberflächenchemie der Partikel.
Bei elektrisch beheizten Rußverfahren werden in der Regel Erdgas, Ethan oder ähnliche gasförmige, kohlenstoffhaltige Rohstoffe als der Rohstoff für die Rußherstellung verwendet, wie z. B. im US-Patent Nr. 10,100,200 beschrieben. Ein Nachteil dieser Gasphasen-Rohstoffe ist ihre Tendenz, eine sehr niedrige Struktur für eine gegebene Oberfläche zu erzeugen. Diese Struktur kann zu gering sein, um die Anforderungen der ASTM-Normen für Gummiverstärkungen zu erfüllen.
Ein weiterer Nachteil der elektrisch beheizten Rußverfahren besteht darin, dass sie ein Trägergas verwenden. Dies wird getan, weil der direkte Kontakt von heißen, aktiv beheizten Oberflächen, wie sie an Elektroden entstehen, mit einem kohlenstoffhaltigen Rohstoff zu einer schnellen Koksbildung und zu schwerwiegenden Problemen bei der Betriebsfähigkeit führen kann. Außerdem können viele Elektrodenmaterialien im Betrieb durch Kohlenwasserstoffgase bei hohen Temperaturen korrodieren.
Die Verwendung eines Trägergases, z. B. Wasserstoff oder Argon, löst diese beiden Probleme, führt aber ein anderes Problem ein: Das Volumen des Trägergases muss im Vergleich zum Volumen des Rohstoffs groß sein. Da zur Erzeugung geeigneter Oberflächen in einem Rußverfahren auf Aerosolbasis hohe Temperaturen erforderlich sind, bedeutet dies, dass immer mehr Trägergas verwendet werden muss im Verhältnis zur Menge des Rohstoffs, je größer die erforderliche Produktoberfläche ist. Die Erhöhung des Trägergasvolumens erhöht die Kapitalkosten erheblich.
Es wäre sowohl wirtschaftlich sinnvoll als auch ökologisch vorteilhaft, gasförmige, erneuerbare, recycelte und/oder nachhaltige Rohstoffe mit geringem Ertrag in einem bestehenden Rußverfahren zu verwenden. Diese Rohstoffe müssen nicht unbedingt auf fossilen Brennstoffen basieren. Beispiele hierfür enthalten Ethylen, das durch Ethancracken oder aus Bioethanol hergestellt werden kann. Ein weiteres Beispiel ist Erdgas, das auf fossilen Brennstoffen basieren kann oder aus Mülldeponien oder der Zersetzung organischer Stoffe hergestellt wird. Weitere Beispiele enthalten Pflanzenöl, Öle, die aus der Pyrolyse von recycelten Reifen, Kunststoffen, Siedlungsabfällen oder Biomasse gewonnen werden, oder Erdgas aus Mülldeponien.
Leider liefern diese ertragsarmen Rußrohstoffe im Vergleich zu den traditionell verwendeten Rußrohstoffen im Allgemeinen schlechte Ausbeuten, geringe Oberflächen und/oder geringe Strukturen in einem Rußverfahren. Die Leistung dieser Rohstoffe in einem elektrisch beheizten Rußverfahren kann so schlecht sein, dass es unmöglich ist, mit ihnen die für die meisten ASTM-Sorten erforderliche Struktur herzustellen. Die maximal erreichbare Struktur bei einer gegebenen Oberfläche für einen Rohstoff trägt dazu bei, die Sortenfähigkeit des Rohstoffs zu definieren.
Daher besteht in der Industrie ein Bedarf an einer Lösung für die Anwendung eines elektrisch beheizten Rußverfahrens, das die Struktur des erzeugten Rußes erheblich verbessern kann. Außerdem besteht in der Industrie ein Bedarf an einer Lösung zur Senkung der Kapitalkosten, indem eine bestimmte Oberfläche bei einer niedrigeren Reaktionstemperatur für ein elektrisch beheiztes Rußverfahren erreicht wird.
Darüber hinaus besteht in der Industrie ein Bedarf an einer Lösung, die es ermöglicht, verschiedene Mengen an ertragsarmen rußbildenden Rohstoffen in einem bestehenden elektrisch beheizten Rußverfahren zu verwenden (deren Verwendung zu ermöglichen) und dennoch Ruße zu produzieren, die mit den aus herkömmlichen Rußrohstoffen gebildeten Rußen vergleichbar sind (z. B. Herstellen von Rußen mit akzeptabler Ausbeute und/oder mit hoher Oberfläche und/oder hoher Struktur). Es spart große Kapital- und Entwicklungsressourcen, wenn ein bestehendes elektrisch beheiztes Rußverfahren für die Verwendung dieser ertragsarmen Rohstoffe genutzt wird, anstatt ein neues Verfahren zu entwickeln, zu konzipieren und zu bauen, um sie zu verwenden.
Alle erwähnten Patente und Veröffentlichungen sind in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier aufgenommen.
Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung
Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren zur Herstellung oder Erzeugung von Ruß aus Rohstoffen, die die ertragsarme(n) Rußrohstoff(e) enthalten.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren zur Herstellung oder Erzeugung von Ruß aus Rohstoffen, die gasförmige Rußrohstoffe enthalten.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren zur Herstellung oder Erzeugung von Ruß unter Verwendung eines elektrisch beheizten Rußverfahrens und die erhebliche Verbesserung der Struktur des erzeugten Rußes.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren zur Herstellung oder Erzeugung von Ruß unter Verwendung eines elektrisch beheizten Rußverfahrens und zur Verringerung der Kapitalkosten, indem eine bestimmte Oberfläche bei einer niedrigeren Reaktionstemperatur für das elektrisch beheizte Rußverfahren erreicht wird. Ein zusätzliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Rußen, die aus Rohstoffen hergestellt werden, die ertragsarme Rußrohstoffe enthalten.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von Rußen, die aus Rohstoffen hergestellt werden, die gasförmige Rußrohstoffe enthalten.
Ein zusätzliches Merkmal ist die Bereitstellung von Verfahren zur Verwendung von Rußrohstoffen, bei denen mindestens ein Teil oder mehr der Gesamtmenge des Rohstoffs ein ertragsarmer Rußrohstoff ist.
Ein weiteres Merkmal ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von Rußen aus ertragsarmen Rußrohstoffen, so dass der resultierende Ruß eine akzeptable (z. B. gute) Ausbeute, eine akzeptable (z. B. hohe) Oberfläche und/oder eine akzeptable Struktur (z. B. hohe Struktur) aufweist.
Um diese und andere Vorteile zu erreichen und in Übereinstimmung mit den Zwecken der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin verkörpert und allgemein beschrieben ist, bezieht sich die vorliegende Erfindung zum Teil auf ein Verfahren zur Herstellung eines Rußes. Das Verfahren umfasst den Schritt des elektrischen Erhitzen eines Trägergases oder eines Rußrohstoffs oder von beidem, um die Pyrolyse von mindestens einem Teil des Rußrohstoffs zu bewirken. Der Rußrohstoff umfasst mindestens einen ersten Rußrohstoff und mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoff. In einem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der erste Rußrohstoff zunächst mit einem erhitzten Trägergas in Kontakt gebracht, das durch elektrisches Erhitzen eines Trägergases gebildet wird, um einen Reaktionsstrom zu bilden, und dann stromabwärts der ertragsarme Rußrohstoff mit dem vorhandenen Reaktionsstrom kombiniert wird, um den Ruß zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner die Rückgewinnung des Rußes aus dem Reaktionsstrom. Bei dem Verfahren umfasst der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff vorzugsweise mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rohstoffs und nicht mehr als 90 Gew.-% des gesamten Rohstoffs (bezogen auf das Gesamtgewicht). Zusätzlich bezieht sich die vorliegende Erfindung zum Teil auf ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Ruß. Das Verfahren umfasst den Schritt des elektrischen Erhitzens eines Trägergases oder eines Rußrohstoffs oder von beidem, um die Pyrolyse von mindestens einem Teil des Rußrohstoffs zu bewirken. Der Rußrohstoff umfasst mindestens einen ersten Rußrohstoff und mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoff. In diesem erfindungsgemäßen Verfahren werden der erste Rußrohstoff und der ertragsarme Rußrohstoff mit einem erhitzten Trägergas in Kontakt gebracht, das durch elektrisches Erhitzen eines Trägergases gebildet wird, um einen Reaktionsstrom zu bilden und den Ruß zu erzeugen. Der mindestens eine erste Rußrohstoff und der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff können in Form einer Mischung vorliegen oder getrennt an der gleichen oder etwa der gleichen Stelle eingebracht werden. Das Verfahren umfasst ferner die Rückgewinnung des Rußes aus dem Reaktionsstrom. Bei dem Verfahren umfasst der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff vorzugsweise mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rohstoffs und nicht mehr als 90 Gew.-% des gesamten Rohstoffs (bezogen auf das Gesamtgewicht).
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung teilweise auf Ruß(e), bei dem/denen mindestens 10 Gew.-% des zur Bildung des Rußes verwendeten Rohstoffs mindestens ein ertragsarmer Rußrohstoff ist und mindestens 10 Gew.-% des zur Bildung des Rußes verwendeten Rohstoffs mindestens ein Rußrohstoff ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf Produkte und/oder Gegenstände, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Elastomerverbundwerkstoffe, die aus einem oder mehreren der Ruße der vorliegenden Erfindung gebildet werden.
Es versteht sich, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erläuternd sind und dazu dienen, eine weitere Erläuterung der beanspruchten vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
Die beigefügten Figuren, die eingearbeitet sind und ein Teil dieser Anmeldung darstellen, veranschaulichen verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundsätze der vorliegenden Erfindung.
Kurzbeschreibung der Figuren

1 ist ein Diagramm, das das H:C-Atomverhältnis (Wasserstoffatom zu Kohlenstoffatom) für herkömmliche Rußrohstoffe im Vergleich zu den ertragsarmen Rohstoffen, die zum Teil in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, darstellt.
2 ist ein Diagramm, das das spezifische Gewicht herkömmlicher Rußrohstoffe im Vergleich zu den ertragsarmen Rohstoffen zeigt, die teilweise in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
3 ist ein Diagramm, das den BMCI-Wert für herkömmliche Rohstoffe im Vergleich zu den ertragsarmen Rohstoffen zeigt, die teilweise in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Reaktors, der für die Herstellung des Rußes der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
5 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Beispiels eines Reaktors, der für die Herstellung des Rußes der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
6 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren Beispiels eines Reaktors, der für die Herstellung des Rußes der vorliegenden Erfindung geeignet ist.

Detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Rußen, bei denen ertragsarme Rußrohstoffe verwendet werden, wie hier definiert und beschrieben, und die ein elektrisch beheiztes Rußverfahren verwenden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf Ruße, die nach einem oder mehreren dieser Verfahren hergestellt werden. Bei den Verfahren der vorliegenden Erfindung kann ein Teil des gesamten verwendeten Rußrohstoffs ein oder mehrere ertragsarme Rußrohstoffe sein. Bei den erfindungsgemäßen Verfahren können nicht nur kleine bis große Mengen an ertragsarmen Rußrohstoffen verwendet werden, sondern es gibt auch keine Abstriche bei der Qualität des erzeugten Rußes. So werden bei den erfindungsgemäßen Verfahren Rußrohstoffe verwendet, deren Einsatz aus Umwelt- und/oder anderen Gründen wünschenswerter ist, und dennoch werden Ruße hergestellt, die mit Rußen vergleichbar sind, die mit herkömmlichen Rußrohstoffen hergestellt werden, die in Furnace-Rußverfahren und/oder herkömmlichen Plasmaverfahren verwendet werden.
Ein Verfahren zur Herstellung von Ruß der vorliegenden Erfindung umfasst, besteht im Wesentlichen aus, besteht aus oder enthält das Kombinieren mindestens eines ersten Rußrohstoffs mit einem elektrisch erhitzten Gasstrom (oder einem elektrisch erhitzten Trägergasstrom), um einen Reaktionsstrom zu bilden; das stromabwärts Kombinieren mindestens eines ertragsarmen Rußrohstoffs mit dem vorliegenden Reaktionsstrom, um den Ruß zu bilden, und das Rückgewinnen des Rußes in dem Reaktionsstrom. Bei dem Verfahren umfasst der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff vorzugsweise mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rohstoffs und kann besonders bevorzugt mindestens 25 Gew.-% des gesamten Rohstoffs oder mindestens 50 Gew.-% des gesamten Rohstoffs oder mindestens 60 Gew.-% des gesamten Rohstoffs umfassen und der erste Rußrohstoff umfasst mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rohstoffs.
Ein anderes Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst, besteht im Wesentlichen aus, besteht aus oder enthält das Kombinieren eines Rußrohstoffs, der umfasst, im Wesentlichen besteht aus, besteht aus oder enthält mindestens einen ersten Rußrohstoff und mindestens einen ertragsarmen Ruß, mit einem elektrisch erhitzten Gasstrom (oder einem elektrisch erhitzten Trägergasstrom), um einen Reaktionsstrom zur Bildung des Rußes zu bilden, und das Rückgewinnen des Rußes in dem Reaktionsstrom. Der Rußrohstoff kann als Gemisch eingebracht werden, oder es können eine Vielzahl getrennter Rußrohstoffe eingebracht werden (z. B. an gleicher Stelle oder ungefähr an gleicher Stelle), die mit dem elektrisch erhitzten Gasstrom kombiniert werden. Bei dem Verfahren umfasst der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff vorzugsweise mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rohstoffes und kann besonders bevorzugt mindestens 25 Gew.-% des gesamten Rohstoffes oder mindestens 50 Gew.-% des gesamten Rohstoffes umfassen, und der erste Rußrohstoff umfasst mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rohstoffes.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist ein „ertragsarmer Rußrohstoff“ ein Rußrohstoff mit mindestens einer der folgenden Eigenschaften:

1) einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) < 100 (der einen Hinweis auf einen niedrigen Aromatengehalt in flüssigen Futtermitteln liefert) (z. B. einen BMCI von weniger als 99, weniger als 95, weniger als 90, weniger als 85, weniger als 80, weniger als 75, weniger als 70, wie einen BMCI von 50 bis 99 oder von 60 bis 99 oder von 70 bis 99 oder von 50 bis 95 oder von 50 bis 90), und/oder
2) ein kohlenstoffhaltiges Material, das bei Raumtemperatur (z. B. 25 °C) und Druck (1 atm) ein Gas ist, und/oder
3) ein H:C-Atomverhältnis von mehr als 1,23 (z. B. ein H:C-Verhältnis von 1,24 oder mehr, 1,25 oder mehr, 1,26 oder mehr, 1,27 oder mehr, 1,28 oder mehr, 1,29 oder mehr, 1,30 oder mehr, 1,35 oder mehr, 1,40 oder mehr, 1,45 oder mehr, 1,50 oder mehr, wie von 1,235 bis 1,5, oder von 1,235 bis 1,45, oder von 1,235 bis 1,4, oder von 1,235 bis 1,35, oder von 1,235 bis 1,3, oder von 1,235 bis 1,29, oder von 1,235 bis 1,28, oder von 1,235 bis 1,27, oder von 1,24 bis 1,5, oder von 1,25 bis 1,5, oder von 1,26 bis 1,5, oder von 1,27 bis 1,5, oder von 1,28 bis 1,5, oder von 1,29 bis 1,5, oder von 1,3 bis 1,5), und/oder
4) ein spezifisches Gewicht von höchstens 1,02 (z. B. höchstens 1,015, höchstens 1,01, höchstens 1,005, höchstens 1,01, höchstens 1,00, höchstens 0,99, höchstens 0,95, wie etwa von 0,80 bis 1,019, oder von 0,80 bis 1,015, oder von 0,80 bis 1,01, oder von 0.80 bis 1,005, oder von 0,80 bis 1,00, oder von 0,80 bis 0,95, oder von 0,80 bis 0,9, oder von 0,80 bis 1,015, oder von 0,90 bis 1,01, oder von 0,90 bis 1,005, oder von 1,005 bis 1,015).

Der ertragsarme Rußrohstoff kann nur die Eigenschaft BMCI haben. Der ertragsarme Rußrohstoff kann nur die H:C-Atomeigenschaft haben. Der ertragsarme Rußrohstoff kann nur die Eigenschaft des spezifischen Gewichts haben. Der ertragsarme Rußrohstoff kann nur die Gaseigenchaft haben. Der ertragsarme Rußrohstoff kann die BMCI-Eigenschaft und die H:C-Atomeigenschaft haben. Der ertragsarme Rußrohstoff kann die BMCI-Eigenschaft und die Eigenschaft des spezifischen Gewichts haben.
Der ertragsarme Rußrohstoff kann die BMCI-Eigenschaft und die Gaseigenschaft haben.
Der ertragsarme Rußrohstoff kann die BMCI-Eigenschaft, die H:C-Atomeigenschaft und die Eigenschaft des spezifischen Gewichts haben.
Der ertragsarme Rußrohstoff kann die BMCI-Eigenschaft, die H:C-Atomeigenschaft und die Gaseigenschaft haben.
Der ertragsarme Rußrohstoff kann die BMCI-Eigenschaft, die H:C-Atomeigenschaft, die Eigenschaft des spezifischen Gewichts und die Gaseigenschaft haben.
Der ertragsarme Rußrohstoff kann die H:C-Atomeigenschaft und die Eigenschaft des spezifischen Gewichts haben.
Der ertragsarme Rußrohstoff kann die H:C-Atomeigenschaft und die Gaseigenschaft haben.
Der ertragsarme Rußrohstoff kann die H:C-Atomeigenschaft, die Eigenschaft des spezifischen Gewichts und die Gaseigenschaft haben.
Der ertragsarme Rußrohstoff kann die Eigenschaft des spezifischen Gewichts und die Eigenschaft des Gases haben.
Ein ertragsarmer Rußrohstoff kann ein Rohstoff sein, der aus Quellen stammt, die als nachhaltige, biologische und/oder recycelte Quellen angesehen werden. Beispielsweise kann der ertragsarme Rußrohstoff Ethylen, ein Gas bei Raumtemperatur und Druck, sein oder enthalten. Das Ethylen kann aus biologisch gewonnenem Ethanol hergestellt werden, z. B. aus der Fermentation von Mais oder Fermentationen von anderen Pflanzenmaterialien. Ein weiteres Beispiel für einen ertragsarmen Rußrohstoff ist Erdgas.
Der ertragsarme Rußrohstoff für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann ein Rohstoff sein, der nicht aus der auf fossilen Brennstoffen basierenden Benzinproduktion oder dem Cracken von Kohle oder dem Cracken zur Herstellung von Olefinen stammt. Somit ist der ertragsarme Rußrohstoff ein anderer Rohstoff als flüssiger Steinkohlenteer, eine Ölraffinerieflüssigkeit oder ein Ethylen-Cracker-Rückstand.

Weitere Beispiele für flüssige ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: ein Reifenpyrolyseöl, ein Kunststoffpyrolyseöl, ein Recyclingöl, ein Algenöl, ein Pflanzen-basiertes Öl, ein Öl aus der Pyrolyse fester Siedlungsabfälle, ein Öl aus der Pyrolyse oder dem Zerfall von Biomasse (z. B. tierisch oder pflanzlich) oder landwirtschaftlichen Abfällen, ein Öl aus der Verarbeitung von Nebenprodukten der Zellstoff- oder Papierherstellung und/oder ein anderes Öl, das hauptsächlich aus Biomaterialien oder beliebigen Kombinationen davon gewonnen wird. Beispiele für ertragsarme Rohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf ein pflanzliches oder Pflanzen-basiertes Öl, ein Ethanol auf biologischer Basis, ein pflanzlich oder tierisch produziertes Wachs oder Harz, ein aus tierischem Fett gewonnenes Öl, ein Algenöl, ein durch Pyrolyse von Klärschlamm oder landwirtschaftlichen Abfällen gewonnenes Öl, ein flüssiges Nebenprodukt aus der Verarbeitung eines biogenen Materials, eine durch hydrothermale Verflüssigung eines Biomaterials gewonnene Flüssigkeit, ein unverarbeitetes Tallöl, ein Tallölkolophonium, ein Tallölpech oder eine Tallölfettsäure, ein aus recyceltem Material hergestelltes Öl, ein aus der Pyrolyse von minderwertigen, ausgemusterten oder ausgedienten Reifen gewonnenes Öl, ein aus der Pyrolyse von ausrangierten oder recycelten Kunststoffen oder Gummiprodukten gewonnenes Öl, ein aus der Pyrolyse von festen Siedlungsabfällen gewonnenes Öl oder ein aus der Pyrolyse von Biomasse gewonnenes Öl oder beliebige Kombinationen davon. Diese flüssigen Rohstoffe haben ein H:C-Atomverhältnis von mehr als 1,23 oder ein spezifisches Gewicht von höchstens 1,02 oder einen BMCI-Wert von weniger als 100. Spezifische Beispiele für flüssige ertragsarme Rußrohstoffe sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt: Tabelle 1.

Beschriftung	H	I	J	K	L
Rohstoffbeispiel	Bolder 350 Reifenpyrolyseöl	Delta Energy Reifenpyrolyserohöl	Sojabohnenöl	Maisöl	Erdnussöl


Datenquelle	e	f	g	h, i	h, i

H:C-Atomverhältnis	1,32	1,50	1,87	1,87	1,87
Spezifisches Gewicht	1,00	0,94	0,93	0,92	0,91
BMCI	94	62,5	56	54	50

Schwefelgehalt (Gew.-%)	1,08	1,03	0	0	0
Flammpunkt (°C)	68	32	>110	321	315

1 ist ein Diagramm, das das H:C-Atomverhältnis für herkömmliche, ertragsreiche Rußrohstoffe im Vergleich zu Reifenpyrolyseölen (TPO), Pflanzenölen (Pflanzenöl) und zwei Gasphasenrohstoffen (Erdgas und Ethylen) (Gas) darstellt. Für die herkömmlichen Rohstoffe wird das H:C für eine Sammlung von etwa 1000 repräsentativen Kohlenteerflüssigkeiten, Dekantierölen und ECRs, die zwischen 2016 und 2021 als Rußrohstoffe für das Furnace-Rußverfahren verwendet wurden, aufgetragen. Der Bereich der H:C-Werte kann mit den drei ertragsarmen Rußrohstoffgruppen verglichen werden. Es wird deutlich, dass die herkömmlichen Rohstoffe einen niedrigen H:C-Wert ≤ 1,23 aufweisen (gestrichelte Linie in der Figur). Die ertragsarmen Rußrohstoffe in 1 haben alle einen H:C-Wert > 1,23.
2 ist ein Diagramm, das Beispiele für das spezifische Gewicht herkömmlicher, ertragsreicher Rohstoffe im Vergleich zu Reifenpyrolyseölen (TPO) und Pflanzenölen (Pflanzenöl) darstellt. Für die herkömmlichen Rohstoffe wird das spezifische Gewicht für eine Sammlung von etwa 1000 repräsentativen Kohlenteerflüssigkeiten, Dekantierölen und ECRs, die zwischen 2016 und 2021 als Rußrohstoffe für das Furnace-Rußverfahren verwendet wurden, aufgetragen. Der Bereich des spezifischen Gewichts wird mit zwei ertragsarmen Rußrohstoffgruppen verglichen. Es wird deutlich, dass herkömmliche Rohstoffe im Allgemeinen ein spezifisches Gewicht von mehr als 1,02 aufweisen (gestrichelte Linie in der Figur), während die ertragsarmen Rußrohstoffe ein spezifisches Gewicht von 1,02 oder weniger haben.
3 ist ein Diagramm, das Beispiele für BMCI-Zahlen für herkömmliche, ertragsreiche Rohstoffe im Vergleich zu Reifenpyrolyseölen (TPO) und Pflanzenölen (Pflanzenöl) darstellt. Für die herkömmlichen Rußrohstoffe ist der BMCI-Wert für eine Sammlung von etwa 1000 repräsentativen Kohlenteerflüssigkeiten, Dekantierölen und ECRs, die zwischen 2016 und 2021 als Rohstoffe für das Furnace-Rußverfahren verwendet wurden, aufgetragen. Ihre BMCI-Werte werden mit zwei ertragsarmen Rohstoffgruppen verglichen. Fast alle herkömmlichen Rohstoffe haben einen BMCI-Wert > 110, und alle hier gezeigten Beispiele haben einen BMCI-Wert von 100 oder mehr (gestrichelte Linie). Im Gegensatz dazu haben die TPO- und Pflanzenölgruppen einen BMCI-Wert von weniger als 100.
Weitere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: ein erneuerbarer Rohstoff, ein Rohstoff biologischen Ursprungs oder ein Rohstoff auf biologischer Basis und/oder anderes Nebenprodukt eines Raffinationsprozesses oder beliebige Kombinationen davon.
Weitere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: pflanzliche oder andere Pflanzen-basierende Öle (z. B. Maisöl und/oder Maisöl aus der Brennerei).
Andere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Ethanol aus biologischem Ursprung (aus der Fermentation von Mais oder anderen Pflanzen, pflanzlichen oder Früchte-basierten Fermentationsprodukten).
Weitere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: pflanzlich- oder tierisch-hergestellte Wachse und Harze wie Lanolin oder Lack. Weitere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: aus tierischen Fetten gewonnene Öle.
Weitere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Algenöle.
Weitere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Öle, die bei der Pyrolyse von Klärschlamm oder landwirtschaftlichen Abfällen gewonnen werden.
Andere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Nebenproduktflüssigkeiten aus der Verarbeitung biogener Materialien.
Andere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Flüssigkeiten, die durch hydrothermale Verflüssigung von Biomaterialien hergestellt werden.
Andere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: unverarbeitetes Tallöle, Tallölkolophonium, Tallölpech oder Tallölfettsäuren (z. B. aus der Papierherstellung).
Andere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: erneuerbare Rohstoffe wie Öle, die aus recycelten Materialien hergestellt werden. Andere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Öle, die aus der Pyrolyse von minderwertigen, ausgemusterten oder ausgedienten Reifen gewonnen werden.
Weitere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Öle, die aus der Pyrolyse von verworfenen oder recycelten Kunststoffen gewonnen werden.
Weitere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Öle, die aus der Pyrolyse von festen Siedlungsabfällen gewonnen werden. Weitere Beispiele für ertragsarme Rußrohstoffe können enthalten, sind aber nicht beschränkt auf die Folgenden: Öle, die aus der Pyrolyse von Biomasse (Bioöl), z. B. von Tieren oder Pflanzen (z. B. Pflanzen), gewonnen werden.
Wie oben angegeben, ist in der vorliegenden Erfindung ein Teil (in Gew.-%) des gesamten Rohstoffs, der in den Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird (entweder in einem gestuften Verfahren oder als Mischung oder an der gleichen Stelle oder ungefähr an der gleichen Stelle im Reaktor eingeführt), ein oder mehrere ertragsarme Rußrohstoffe, und ein Teil ist kein ertragsarmer Rußrohstoff.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung bedeutet „etwa an der gleichen Stelle“, dass die Einführung der verschiedenen Rohstoffe an der gleichen Stelle (I₁) oder innerhalb von 5 % von I₁ bezogen auf die gesamte Länge des Rußreaktors erfolgt.
Vorzugsweise beträgt die Menge des ertragsarmen Rußrohstoffs (entweder in einem gestuften Verfahren oder als Mischung oder an der gleichen Stelle oder ungefähr an der gleichen Stelle mit einem oder mehreren anderen Rußrohstoffen) mindestens 10 Gew.-% oder mindestens 15 Gew.-% oder mindestens 20 Gew.-% oder mindestens 25 Gew.-% oder mindestens 30 Gew.-%, oder mindestens 35 Gew.-% oder mindestens 40 Gew.-% oder mindestens 45 Gew.-% oder mindestens 50 Gew.-% oder mindestens 55 Gew.-% oder mindestens 60 Gew.-% oder mindestens 65 Gew.-% oder mindestens 70 Gew.-% oder mindestens 75 Gew.-% oder mindestens 80 Gew.-% oder mindestens 85 Gew.-% oder mindestens 90 Gew.-%, jedoch weniger als 100 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 99 Gew.-% oder weniger als 95 Gew.-%, wie von 10 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 15 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 25 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 30 Gew.-% bis 90 Gew.- %, oder von 35 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 45 Gew.- % bis 90 Gew.-%, oder von 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 80 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 70 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 60 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 50 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 40 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 65 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 70 Gew.-% bis 95 Gew.- %, oder von 75 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 60 Gew.- % bis 90 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 85 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 75 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht aller verwendeten Rohstoffe.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist ein „erster Rußrohstoff“ oder ein „ertragsreicher Rußrohstoff“ ein Rohstoff, der kein wie hier definierter ertragsarmer Rußrohstoff ist. Der erste Rußrohstoff kann als ein Rußrohstoff betrachtet oder bezeichnet werden, der herkömmlich in Furnace-Rußverfahren verwendet wird („herkömmliche“ Rußrohstoffe). Wie hier weiter ausgeführt, kann der erste Rußrohstoff eine Mischung von Rohstoffen sein, die optional geringe Mengen eines ertragsarmen Rußrohstoffs enthält.
Die ersten Rußrohstoffe sind üblicherweise aus der Gruppe von Dekantier- oder Slurryöle, Kohlenteere oder Kohlenteerdestillatfraktionen oder Ethylen- oder Phenolcrackerrückstände. Ihre charakteristischen Eigenschaften im Hinblick auf die Rußherstellung in einem üblichen Furnace-Verfahren werden weiter unten erörtert.
Ein erster Rußrohstoff weist alle drei der folgenden Eigenschaften auf:

1) einen BMCI von mindestens 100 (z. B. mindestens 101, mindestens 102, mindestens 103, mindestens 104, mindestens 105, mindestens 110, mindestens 115, mindestens 120, mindestens 130, mindestens 140, mindestens 150, mindestens 160, mindestens 170, wie von 100 bis 180, von 101 bis 180, von 102 bis 180, von 103 bis 180, von 104 bis 180 von 105 bis 180, von 110 bis 180, von 115 bis 180, von 120 bis 180, von 130 bis 180, von 140 bis 180, von 150 bis 180, von 160 bis 180, von 100 bis 175, von 100 bis 170, von 100 bis 165, von 110 bis 175, von 115 bis 175, von 120 bis 175, von 125 bis 170, von 130 bis 170),
2) ein spezifisches Gewicht von mehr als 1,02 (z. B. mehr als 1,025, mehr als 1,03, mehr als 1,035, mehr als 1,04, mehr als 1,05, wie von 1,021 bis 1,3, oder von 1,025 bis 1,3, oder von 1,03 bis 1,3, oder von 1,05 bis 1,3, oder von 1,07 bis 1,25),
3) ein H:C-Atomverhältnis von höchstens 1,23 (z. B. höchstens 1,22, höchstens 1,21, höchstens 1,2, höchstens 1,15, höchstens 1,1, höchstens 1,05, höchstens 1, höchstens 0,9, höchstens 0,8, wie von 1,225 bis 0,7, von 1,225 bis 0,8, von 1,225 bis 0,9, von 1,225 bis 1, von 1,225 bis 1,1, von 1,22 bis 0,7, von 1,21 bis 0,7, von 1,2 bis 0,7).

Optional kann der erste Rußrohstoff bei Raumtemperatur und Druck (z. B. 25 °C und 1 atm) auch flüssig sein. Obwohl es sich um eine Flüssigkeit handelt, kann der erste Rußrohstoff ein Pech oder ein ähnliches Material mit extrem hoher Viskosität sein und muss kein merkliches Fließen aufweisen.

Beispiele für erste Rußrohstoffe sind in Tabelle 2 aufgeführt und umfassen Kohlenteer, aus Kohlenteer destillierte Flüssigkeiten, Dekantier- oder Slurryöle erhalten aus dem katalytischen Cracken und Rückstandsöle aus dem Ethylencracken. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, haben diese Rohstoffe ein H:C von höchstens 1,23, ein spezifisches Gewicht von mehr als 1,02 und einen BMCI-Wert von mindestens 100. Tabelle 2:

Beschriftung	A	B	C	D	E	F	G
Rohstoffbeispiel	Ethylen-Steamcracker Rückstände	Ethylen-Steamcracker Rückstände	Dekantieröl	Dekantieröl	Kohlenteerdestillat	Rohkohlenteer	Dekantieröl


Datenquelle	a	b	a	C	a	d	e

H:C-Atomverhältnis	0,94	0,91	0,94	1,01	0,85	0,72	1,01
Spezifisches Gewicht	1,07	1,08	1,10	1,11	1,14	1,22	1,10
BMCI	127	146	132	134	161	179	163

Schwefelgehalt (Gew.- %)	0,2	0,17	2,1	0,95	0,6	0,38	1,36
Flammpunkt (°C)	70	86	130	90	90

Der erste Rußrohstoff kann auch eine Fraktion aus der Raffination oder Destillation von Reifenpyrolyseöl enthalten. Die Pyrolyse von Reifen kann mit jeder Methode durchgeführt werden, die dem Fachmann bekannt ist. Beispielhafte Verfahren enthalten, sind aber nicht beschränkt auf, die in US8350105 und US20180320082 beschriebenen, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Die Destillation des resultierenden Öls kann auch durch jede dem Fachmann bekannte Methode durchgeführt werden. Beispielhafte Methoden enthalten, sind aber nicht beschränkt auf, die in US9920262 und WO2019236214 beschriebenen, deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Das Reifenpyrolyseöl kann destilliert werden, um mindestens eine Fraktion zu erhalten, die als erster Rußrohstoff verwendet werden kann, und mindestens eine Fraktion, die ein ertragsarmer Rußrohstoff ist. In der Tat kann die Destillation zu leichten Fraktionen führen, die in anderen Prozesseinheiten des Rußherstellungsverfahrens wirtschaftlicher eingesetzt werden können, z. B. als Brennstoff für einen Trockner für den Ruß oder für einen Erhitzer zum Vorerhitzen des ersten Rußrohstoffs oder des zweiten Rußrohstoffs oder beider, wie in US20130039841 offenbart, deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. Somit kann die Integration des Destillationsprozesses in den Rußreaktor sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Vorteile aus dem Recycling von mit Ruß gefüllten Reifen ermöglichen.
Optional kann in Verfahren der vorliegenden Erfindung der erste Rußrohstoff, bezogen auf die Gesamtmenge des eingesetzten Rohstoffs (in Gew.-%), in einer Menge (entweder in einem gestuften Verfahren oder als Mischung oder an gleicher Stelle oder etwa an gleicher Stelle mit einem oder mehreren anderen Rußrohstoffen) von mindestens 10 Gew.-% oder mindestens 15 Gew.-%, oder mindestens 20 Gew.-%, oder mindestens 25 Gew.-%, oder mindestens 30 Gew.-%, oder mindestens 35 Gew.-%, oder mindestens 40 Gew.-%, oder mindestens 45 Gew.-%, oder mindestens 50 Gew.-%, oder mindestens 55 Gew.-%, oder mindestens 60 Gew.-%, oder mindestens 65 Gew.- %, oder mindestens 70 Gew.-%, oder mindestens 75 Gew.-%, oder mindestens 80 Gew.-%, oder mindestens 85 Gew.-%, oder mindestens 90 Gew.-%, jedoch unter 100 Gew.-% und vorzugsweise unter 99 Gew.-% oder unter 95 Gew.-%, wie von 10 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 15 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 20 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 25 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 30 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 35 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 40 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 45 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 50 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 80 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 70 Gew.- %, oder von 10 Gew.-% bis 60 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 50 Gew.-%, oder von 10 Gew.- % bis 40 Gew.-%, oder von 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 65 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 70 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 75 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 95 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 90 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 85 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 80 Gew.-%, oder von 60 Gew.-% bis 75 Gew.- %, bezogen auf die Gesamtgewichtsanteile aller verwendeten Rohstoffe, verwendet werden. Andere Mengen des ersten Rußrohstoffs, bezogen auf die Gesamtmenge des verwendeten Rohstoffs (in Gew.-%), können 49 Gew.-% oder weniger, 45 Gew.-% oder weniger, 40 Gew.-% oder weniger, 35 Gew.-% oder weniger, 30 Gew.-% oder weniger, 25 Gew.-% oder weniger, 20 Gew.-% oder weniger, 15 Gew.-% oder weniger, 10 Gew.-% oder weniger, 9 Gew.-% oder weniger, 8 Gew.-% oder weniger, 7 Gew.-% oder weniger, 6 Gew.-% oder weniger, wie von 5 Gew.-% bis 49 Gew.-% oder von 5 Gew.-% bis 45 Gew.-% oder von 10 Gew.-% bis 40 Gew.-% oder von 10 Gew.-% bis 35 Gew.-% oder von 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%) sein.
Der erste Rußrohstoff kann bei Raumtemperatur (z. B. 25 °C) und unter Atmosphärenbedingungen (z. B. 1 atm) eine Flüssigkeit sein. „Reich an aromatischen Spezies“ bedeutet, dass der Rohstoff eine große Menge an aromatischen Verbindungen enthält. Eine große Menge an aromatischen Verbindungen liegt beispielsweise vor, wenn der Gesamtgewichtsanteil an Aromaten mindestens 20 Gew.-% beträgt oder einen BMCI von mindestens 100 oder beides aufweist. Der erste Rußrohstoff kann erhitzt werden, so dass der Rohstoff in Dampfform vorliegt und somit zu einem aromatenreichen Dampf wird oder in der Praxis als solcher verwendet werden kann.
Im Hinblick auf die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung umfassen einige Verfahren der vorliegenden Erfindung die Kombination eines elektrisch erhitzten Gasstroms (oder eines elektrisch erhitzten Trägergasstroms) mit dem ersten Rußrohstoff und dem ertragsarmen Rußrohstoff. Wie oben und unten erläutert, können der erste Rußrohstoff und der ertragsarme Rußrohstoff stufenweise in den erhitzten Gasstrom eingebracht oder mit diesem kombiniert werden (z. B. wird der erste Rußrohstoff zuerst eingeführt und dann stromabwärts wird der ertragsarme Rußrohstoff eingeführt oder eine Mischung aus dem ersten Rußrohstoff und dem ertragsarmen Rußrohstoff wird eingeführt oder mit dem erhitzten Gasstrom kombiniert), oder der erste Rußrohstoff und der ertragsarme Rußrohstoff werden mit dem erhitzten Gasstrom an oder ungefähr an der gleichen Stelle im Rußreaktor eingeführt oder kombiniert).
In anderen Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der Rußrohstoff oder ein Teil davon elektrisch erhitzt, so dass eine Pyrolyse des Rohstoffs stattfindet.
In den Verfahren der vorliegenden Erfindung kann die elektrische Erhitzung entweder eines Trägergases und/oder eines Rußrohstoffs so erfolgen, dass die elektrische Erhitzung direkt oder indirekt erfolgt (z. B. bedeutet direkt, dass das Heizelement mit dem Trägergas und/oder dem Rohstoff in Kontakt gebracht wird).
Zur Erzeugung des elektrisch beheizten Gasstroms gibt es mindestens vier Verfahren, die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Bei jedem der Verfahren wird elektrische Energie verwendet, um entweder ein Trägergas und/oder einen Rußrohstoff so zu erhitzen, dass zumindest ein Teil des Rußrohstoffs pyrolysiert wird.
Die vorliegende Erfindung kann in mehreren Varianten oder Ausführungsformen durchgeführt werden.
In einem ersten Verfahren kann ein Lichtbogen verwendet werden, um ein Trägergas elektrisch zu erhitzen, das dann mit dem (den) hier beschriebenen Rußrohstoff(en) in Kontakt gebracht wird. Da der Lichtbogen ein Plasma erzeugt, wird diese Methode gelegentlich als Plasmaprozess bezeichnet.
In einem zweiten Verfahren wird ein Heizelement, entweder auf Widerstands- oder Induktionsbasis, verwendet, um das Trägergas elektrisch zu erhitzen, das dann mit dem/den Rußrohstoff(en), wie hier beschrieben, in Kontakt gebracht wird.
In einem dritten Verfahren wird ein induktives oder mikrowellenbasiertes Plasma verwendet, um entweder ein Trägergas oder die Rußrohstoffe selbst zu erhitzen, ohne direkten Kontakt zwischen dem Gas und den Elektroden.
In einem vierten Verfahren steht ein Plasmalichtbogen oder ein Heizelement in direktem Kontakt mit dem/den Rußrohstoff(en) und wird zum Erhitzen des Rohstoffs verwendet. Ferner beschreiben das US-Patent Nr. 8,221,689 und das US-Patent Nr. 7,563,525 diese Verfahren, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Die Verfahren, die zur Bildung oder Erzeugung des elektrisch erhitzten Gasstroms und/oder des Rußrohstoffs verwendet werden und die Apparatur/Vorrichtung(en) und Bedingungen/Parameter dafür sind im Handel erhältlich und können hier für die Verfahren der vorliegenden Erfindung übernommen oder verwendet werden.
Ausführlicher und lediglich als Beispiele werden ein Beispiel für das erste Verfahren (ein Plasmaprozess mit Trägergas) und das zweite Verfahren (ein elektrisch beheiztes Verfahren mit Trägergas) beschrieben.
Das Plasmaverfahren kann zur Herstellung von Ruß verwendet werden, durch Erhitzen eines geeigneten Trägergasstroms auf hohe Temperaturen, so dass Pyrolyse des/der Rußrohstoff(e) in Verbindung mit dem elektrisch erhitzten Trägergasstrom stattfinden kann (z. B. 3000 Grad C oder mehr). Das Heizen kann mit einem elektrischen Lichtbogen erfolgen. Sobald der erhitzte Trägergasstrom gebildet ist, kann (können) der (die) Rußrohstoff(e) in diesen erhitzten Trägergasstrom eingeführt oder mit diesem erhitzten Trägergasstrom kombiniert werden. Der heiße Trägergasstrom enthält einen wesentlichen Teil der Energie, die für die schnelle Hochtemperaturpyrolyse des Rohstoffs zu Ruß und Nebenproduktgasen erforderlich ist. Weitere Einzelheiten dieses Verfahrens, die in die Verfahren der vorliegenden Erfindung übernommen werden können, sind in dem US-Patent Nr. 9,574,086 (das in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin enthalten ist) dargelegt.
Ein Beispiel für einen Aufbau und einen Reaktor für den Plasmaprozess 10 ist in 4 dargestellt, die eine Querschnittsansicht eines Rußreaktors 10 zeigt. Ein Trägergas, z. B. Wasserstoff oder Argon, wird z. B. über eine Leitung 2 in eine Plasmaerzeugungskammer 6 mit dem Durchmesser 5 eingeleitet. Der Hauptstrom der Materialien fließt in Richtung A. Elektroden 3 erzeugen einen elektrischen Lichtbogen 4, der das Trägergas erhitzt, üblicherweise auf Plasmabedingungen.
Das erhitzte Trägergas wird dann mit einem Rußrohstoff kombiniert oder vermischt, der z. B. über die Injektoren 7 und 8 zugeführt werden kann. Injektor 7 kann an einer Stelle angeordnet sein, die einen geringeren Durchmesser als der Durchmesser 5 aufweist. In 4 ist der Injektor 8 stromabwärts des Injektors 7 an einem Hals 9 mit dem engsten Durchmesser des Rußreaktors 10 dargestellt. Alternativ kann der Injektor 8 stromabwärts von dem Injektor 7, aber in einem Bereich mit einem größeren Durchmesser als Hals 9, positioniert werden. Der Injektor 7 kann beispielsweise ein erster Rußrohstoff in den Reaktor einführen oder einspritzen, und ein weiterer Rußrohstoff, z. B. ein ertragsarmer Rußrohstoff, kann am Injektorpunkt 8 eingeführt werden. Der Abstand zwischen den Injektoren 7 und 8 muss nur so groß sein, dass sich der am Injektor 7 in den Reaktor 10 eingespritzte erste Rußrohstoff mit dem Trägergas vermischen kann. In der vorliegenden Erfindung kann im Allgemeinen zumindest ein Teil des ersten Rußrohstoffs, wenn nicht sogar der gesamte erste Rußrohstoff, zumindest vor dem Einbringen des ertragsarmen Rußrohstoffs in den Reaktor, eingespritzt oder eingebracht werden. Vorzugsweise wird der größte Teil des ersten Rußrohstoffs vor der Einführung des ertragsarmen Rußrohstoffs eingeführt. Zur Unterstützung dieses Mischvorgangs kann das heiße Trägergas in den engeren Hals 9 gepresst werden, um die Turbulenz zu erhöhen und eine schnelle Durchmischung zu erreichen. Da der erste Rußrohstoff üblicherweise als Flüssigkeit eingespritzt wird, kann die durch die Kontraktion erzeugte erhöhte Turbulenz auch die Zerstäubung der Flüssigkeitströpfchen unterstützen.
Nach der Injektion des ersten und des ertragsarmen Rußrohstoffs tritt der kombinierte Strom aus heißem Trägergas und reagierendem Rohstoff in eine geeignete Reaktionskammer 14 mit dem Durchmesser 11 ein. Der Durchmesser 11 kann ebenso wie der Durchmesser 5 wesentlich größer sein als der des Halses 9. An einer Stelle 12 stromabwärts des letzten Rohstoffinjektionspunkt wird das Gemisch mit einem Gas- oder Flüssigkeitsstrahl 13 gequencht.
Der Hals 9 in 4 kann optional sein und nicht verwendet werden. Als eine Option kann ein einziger Injektionspunkt verwendet werden (z. B. entweder Injektionspunkt 7 oder Injektionspunkt 8), an dem der erste und der ertragsarme Rußrohstoff als Gemisch eingebracht werden. Als eine weitere Option können mehr als die in 7 und 8 gezeigten beiden Injektionspunkte für Rohstoff verwendet werden.
Es ist möglich, die Plasmaheizvorrichtung in 4 ganz oder teilweise durch ein System 15 zu ersetzen, das aus elektrischen Widerstandsheizdrähten oder induktiv beheizten Elementen besteht, wie in 5 gezeigt, die einen Querschnitt eines anderen Reaktors 15 zeigt. Das Verfahren und die Vorrichtung sind ähnlich zu der in 4, nur dass das Trägergas jetzt anders als bei einem plasmaerzeugenden Lichtbogen erhitzt wird. 5 zeigt eine Reihe von Widerstandsheizelementen 16 (z. B. Stäbe), die in den Weg eines Trägergases positioniert sind, das durch eine Leitung (nicht dargestellt) in ähnlicher Weise wie in der Vorrichtung von 4 eingeleitet wird. In 5 erhitzen die Widerstandsheizelemente 16 das in Richtung A strömende Trägergas. Nach dem Schritt der Erhitzung des Trägergases kann das Verfahren das gleiche sein wie in Verbindung mit 4 beschrieben. Alternativ oder zusätzlich können auch keramische Heizelemente wie Magnesiumoxid oder Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid verwendet werden. Die Elemente 16 können erhitzt werden, indem sie einem fließenden elektrischen Strom ausgesetzt werden, oder sie können induktiv erhitzt werden, z. B. indem sie einer Mikrowellen-, Hochfrequenz- oder einer anderen geeigneten elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt werden. Die elektromagnetische Energie der Mikrowellenstrahlung bewirkt bekanntermaßen, dass sich die Elektronen in den Stäben bewegen und diese erhitzen. Dieses Verfahren ermöglicht einen Reaktor ohne direkte Durchdringung für elektrische Verbindungen, was in bestimmten Fällen von Vorteil sein kann. Zum Beispiel werden SiC-Stäbe heiß, wenn sie Mikrowellenstrahlung ausgesetzt werden. Bei dieser Ausführungsform müssen keine elektrischen Drähte oder andere Leiter die Heizkammer durchziehen, wodurch die Komplexität der Konstruktion verringert wird.
Die Verfahren der vorliegenden Erfindung können auf einen elektrisch beheizten Prozess und Reaktor, wie in 6 dargestellt, angewendet werden. 6 zeigt einen Querschnitt eines anderen Beispiels eines Rußreaktors 20 mit ähnlichen Merkmalen wie die Vorrichtung 10 von 4. Im Gegensatz zu 4 weist der Reaktor 20 zwei sich verengende Hälse 64 und 65 mit sich verringerndem Durchmesser an beiden Enden einer mittleren Kammer 58 auf. Heißes Trägergas aus der Leitung 2 wird in den verengenden Hals 64 geleitet. Der erste Rußrohstoff wird durch die Injektoren 7 oder 8 oder beide gleichzeitig zugeführt und mit dem Trägergas vermischt.
In 6 ist die Länge zwischen der Einführung des Trägergases und der Mitte der Verengung 64 als Länge 60 bezeichnet. Diese Länge kann vorzugsweise das 1-fache (mal) bis 10-fache des engsten Durchmessers der ersten Verengung 64 betragen. Die Einstellung dieser Länge kann ein Gleichgewicht zwischen der Rußstruktur und der Prozessökonomie ermöglichen. Die Höhe oder der Durchmesser 5 ist für die beheizte Gaskammer gezeigt, und diese Höhe ist größer als die Höhe oder der Durchmesser 64. Die Höhe oder der Durchmesser 64 kann mindestens 20 %, mindestens 30 %, mindestens 40 %, mindestens 50 % kleiner als die Höhe oder der Durchmesser 5 sein. Nach der Einführung des ersten Rußrohstoffs tritt der mit dem Rohstoff vermischte heiße Gasstrom in eine erste Reaktionskammer 58 ein. Der Zweck dieser Kammer ist es, eine Verweilzeit zu gewährleisten, damit die Pyrolysereaktionen, bei denen Ruß entsteht, eine Induktionszeit abschließen und beginnen können, und gegebenenfalls eine Keimpartikelpopulation für späteres Strukturwachstum zu erzeugen. Die Länge dieser Kammer 66 kann üblicherweise das 1-fache bis 20-fache des engsten Durchmessers der ersten Verengung 64 betragen.
Am Ende der ersten Reaktionskammer 58 kann der ertragsarme Rußrohstoff eingeführt werden. Er kann mit Hilfe eines Injektors oder einer Injektoranordnung 59, angeordnet innerhalb oder in der Nähe einer zweiten Verengung 65 und/oder im Wesentlichen stromabwärts von den ersten Stellen 7 und/oder 8, eingebracht werden. Alternativ kann der ertragsarme Rußrohstoff mit einer Lanze im Wesentlichen stromaufwärts der Verengung 65, aber innerhalb der Kammer 58, eingebracht werden.
Der Abstand 66 zwischen den sich verengenden Hälsen 64 und 65 kann größer sein als der Durchmesser 64 und kann zur Veränderung oder Optimierung der Produkteigenschaften angepasst werden. Die sich verengenden Hälse 64 und 65 können den gleichen oder unterschiedliche Durchmesser haben. Fachleute wissen, wie diese Durchmesser einzustellen sind, um die gewünschten Mischeigenschaften des Reaktionsstroms zu erzielen.
Nach dem Einbringen des ertragsarmen Rußrohstoffs fließt das Gemisch in eine zweite Reaktionskammer 61. Anschließend wird es mit einem Kühlspray aus Flüssigkeit oder Dampf 62 gequencht, wie es in der Praxis bekannt ist. Die Länge von der Injektionsstelle 59 des ertragsarmen Rußrohstoffs bis zur Quenchstelle 62 ist in 6 mit 67 bezeichnet. Diese Länge wird so gewählt, dass eine Verweilzeit entsteht, die bestimmte Produkteigenschaften steuert, wie in der Praxis bekannt ist.
Bei einer alternativen Anordnung wird der erste Rußrohstoff an Stelle 7 und/oder Stelle 8 und dann der ertragsarme Rußrohstoff an Stelle 8 und/oder Stelle 59 (und/oder an einer Stelle zwischen diesen Stellen) eingebracht, was gleichzeitig geschehen kann, wenn beide Stellen verwendet werden. Dies kann einen vorteilhaften Kompromiss zwischen Strukturfähigkeit und Ausbeute oder Prozessökonomie bieten. In allen oben genannten Ausführungsformen wird zumindest ein Teil, vorzugsweise der größte Teil des verwendeten ersten Rußrohstoffs, z. B. der gesamte erste Rußrohstoff, vor und stromaufwärts des ertragsarmen Rußrohstoffs eingebracht.
In der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Verfahren die Herstellung von Rußstrukturen, die größer sind als die, die mit herkömmlichen Verfahren unter Verwendung von nicht-herkömmlichen Rußrohstoffen erreicht werden können, mit einem Gasphasen-Rußrohstoff oder einem anderen nicht-herkömmlichen, ertragsarmen Rußrohstoff.
Darüber hinaus ist es in der vorliegenden Erfindung möglich, die für die Herstellung einer bestimmten Oberfläche erforderliche Temperatur zu senken, verglichen mit der ausschließlichen Verwendung von nicht-herkömmlichen Rohstoffen. Dies bedeutet, dass weniger Trägergas benötigt wird, was die Kapitalkosten des elektrisch beheizten Verfahrens senkt. Beispielsweise kann die Temperatur um 2 % bis 5 % oder mehr gesenkt werden.
Der Injektor 7 kann beispielsweise ein erster Rußrohstoff in den Reaktor einführen oder einspritzen. Als eine Alternative kann der erste Rußrohstoff auch über ein axiales Rohr oder eine Lanze in die Kammer eingeführt werden. Als eine weitere Alternative kann der erste Rußrohstoff durch mehrere Verfahren gleichzeitig eingespritzt oder eingebracht werden. Die Lanze oder jeder andere Injektor, die dem Reaktor ausgesetzt ist, muss möglicherweise gekühlt oder vor übermäßiger Hitze im Reaktor mit in der Praxis bekannten Verfahren geschützt werden.
In der vorliegenden Erfindung, als eine Möglichkeit, kann zumindest ein Teil, wenn nicht sogar der gesamte erste Rußrohstoff vor dem Einbringen des ertragsarmen Rußrohstoffs in den Reaktor eingespritzt oder eingebracht werden. Vorzugsweise ist die Menge des ersten Rußrohstoffs, die vor dem Einbringen des ertragsarmen Rußrohstoffs in den Reaktor eingespritzt oder eingebracht wird, größer ist als die Gesamtmenge des ersten Rußrohstoffs, die in späteren Stufen eingebracht wird. Das heißt, der größte Teil (>50 %) des ersten Rußrohstoffs, der im Reaktor verwendet wird, wird in der ersten Stufe (z. B. an Stelle/Injektor 7 in 4) eingeführt oder eingespritzt.
Die Rußrohstoffe können durch eine oder mehrere Düsen, die für eine optimale Verteilung der Rohstoffe im Gasstrom ausgelegt sind, in den erhitzten Trägergasstrom eingespritzt werden. Solche Düsen können entweder Einstoff- oder Zweistoffdüsen sein. Zweistoffdüsen können beispielsweise Dampf, Luft oder Stickstoff zur Zerstäubung des Rohstoffs verwenden. Einstoffdüsen können Druck zerstäubt sein, oder der Rohstoff kann direkt in den Gasstrom eingespritzt werden. In letzterem Fall erfolgt die Zerstäubung durch die Kraft des Gasstroms.
Der Rußrohstoff kann durch eine axiale Einspritzlanze eingespritzt werden, oder es kann ein zentrales Rohr verwendet werden und/oder eine oder mehrere radiale Lanzen, die am Umfang des Reaktors in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Ein Reaktor kann mehrere Ebenen mit radialen Lanzen entlang der Strömungsrichtung enthalten. Am Kopf der Lanzen können Sprüh- oder Injektionsdüsen angeordnet sein, mit denen der Rohstoff in den Strom des erhitzten Gasstroms eingemischt wird.
Der erste Rußrohstoff kann an einer oder mehreren Stellen oder gleichzeitig an zwei Stellen oder an drei oder mehr Stellen gleichzeitig eingebracht werden. Die Art und Weise und die Aufteilung der Einspritzung des ersten Rohstoffs kann, wenn mehr als eine Stelle verwendet wird, zwischen diesen Stellen variiert werden, um die Produkteigenschaften und die Prozessökonomie zu verändern. Sowohl die Injektoren als auch die Reaktorkammer(n) (oder Teile davon) können nach Bedarf durch in der Praxis bekannte Verfahren gekühlt werden.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung kann der erste Rußrohstoff eine Mischung aus einem ertragsreichen Rußrohstoff, der die oben beschriebenen Parameter BMCI, spezifisches Gewicht und H:C erfüllt, und einem ertragsarmen Rußrohstoff sein, vorausgesetzt, die Mischung erfüllt die oben für den ersten Rußrohstoff beschriebenen Parameter BMCI, spezifisches Gewicht und H:C. Die Mischung kann mehr als 50 Gew.-% des ertragsreichen Rußrohstoffs enthalten (z.B. 50,5 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% des ertragsreichen Rußrohstoffs, wie von 60 Gew.-% bis 99 Gew.- %).
Ebenso kann der ertragsarme Rußrohstoff optional eine Mischung aus einem ertragsreichen Rußrohstoff und einem nicht-ertragsreichen Rußrohstoff sein, der mindestens einen der für den ersten Rußrohstoff erforderlichen Parameter BMCI, H:C und spezifisches Gewicht nicht erfüllt, vorausgesetzt, dass die Mischung ebenfalls mindestens einen der für den ersten Rußrohstoff erforderlichen Parameter BMCI, H:C und spezifisches Gewicht nicht erfüllt. Der nicht-ertragsreiche Rußrohstoff kann in einer Menge von mehr als 50 % der Masse des gesamten Rohstoffs dieser optionalen Mischung vorhanden sein (z. B. 50,5 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% des nicht-ertragsreichen Rußrohstoffs, wie von 60 Gew.-% bis 99 Gew.-%).
Zusätzlich, als eine Option, kann die Gesamtmenge des ersten Rußrohstoffs, der dem Reaktor über die Summe aller Injektionsstellen zugeführt wird, weniger als 50 Gew.-% betragen, bezogen auf die Gesamtmenge des überall im Reaktor verwendeten Rußrohstoffs. Die Gesamtmenge des ertragsarmen Rußrohstoffs kann mehr als 50 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rohstoff, betragen.
Als eine Option umfasst in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung das Verfahren den Schritt der Einführung mindestens eines ersten Rußrohstoffs mit dem erhitzten Gasstrom in den Rußreaktor, um einen Reaktionsstrom zu bilden. Der erste Rußrohstoff kann einer sein oder eine Kombination aus zwei oder mehr verschiedenen ersten Rußrohstoffen. Wenn mehr als eine Art von Rohstoff als der erste Rußrohstoff verwendet wird, können die mehreren ersten Rußrohstoffe miteinander gemischt und als ein gemischter Rohstoff an einer oder mehreren Stellen eingespritzt werden, oder jeder Rohstoff kann separat an der gleichen oder an verschiedenen Stellen in den Reaktor eingespritzt werden.
Als eine Option umfasst in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung das Verfahren den Schritt des Einbringens mindestens eines ertragsarmen Rußrohstoffs in einen Reaktionsstrom. Der ertragsarme Rußrohstoff kann einer sein oder eine Kombination von zwei oder mehr verschiedenen ertragsarmen Rußrohstoffen. Wenn mehr als eine Art von Rohstoff als der ertragsarme Rußrohstoff verwendet wird, können die mehreren ertragsarmen Rußrohstoffe miteinander gemischt und als ein gemischter Rohstoff an einer oder mehreren Stellen eingespritzt werden, oder jeder Rohstoff kann separat an der gleichen oder an verschiedenen Stellen in den Reaktor eingespritzt werden.
Im Allgemeinen kann jeder der Rußrohstoffe, die in einem der Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, unter Verwendung von Injektoren, die in das Innere des erhitzten Gasstroms eindringen, als einzelner Strom oder in mehreren Strömen in einen Reaktor eingespritzt werden. Ein Injektor kann eine hohe Misch- und Scherrate des erhitzten Gasstroms und des/der Rußrohstoff(e) besser gewährleisten. Dadurch wird sichergestellt, dass der Rohstoff pyrolysiert und vorzugsweise mit einer hohen Geschwindigkeit und/oder einer hohen Ausbeute, um den Ruß der vorliegenden Erfindung zu bilden.
Der erste Rußrohstoff kann an einer Stelle im Reaktor oder an mehreren Stellen im Reaktor eingebracht werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der ertragsarme Rußrohstoff an einer Stelle im Reaktor oder an mehreren Stellen im Reaktor eingebracht werden. Wie erwähnt, können bei diesem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Stelle oder die Stellen im Reaktor stromabwärts der Stelle/Stellen liegen, an der der erste Rußrohstoff eingespritzt oder eingebracht wird. Das Einbringen des ertragsarmen Rußrohstoffs kann mit einem oder mehreren Injektoren (z. B. einem Metallrohr (Metallrohren), angebracht an der Wand des Reaktors) erfolgen, die den Rohstoff in den Reaktor einbringen. Der Injektor kann an der Spitze einen Injektorkopf oder einen Sprühkopf haben. Der Injektor an der Spitze kann beispielsweise ein oder mehrere Löcher (2 oder 3 oder 4 oder mehr) um die Spitze herum haben (im Allgemeinen gleichmäßig verteilte Mehrfachlöcher).
Als eine Option kann die Einführung des ertragsarmen Rußrohstoffs in den Reaktor und in den Reaktionsstrom so erfolgen, dass der Rohstoff senkrecht zur seitlichen Strömung des Reaktionsstroms durch den Reaktor eingeführt wird, wie zum Beispiel in den 4-6 gezeigt. Die Senkrechte kann plus oder minus 15 Grad von einer wirklich senkrechten Einspeisung des Rohstoffs in den Reaktionsstrom betragen.
Als eine Option kann die Einführung des ertragsarmen Rußrohstoffs in den Reaktor an einer Stelle erfolgen, die einen geringeren Durchmesser aufweist als der Durchmesser des Reaktors, in den der erste Rußrohstoff zuvor eingeführt wurde. Beispielsweise ist Injektor 8 in 4 in einem engeren Bereich des Reaktors 10 als Injektor 7. Diese Stelle kann in einigen Rußreaktoren als „Hals“ bezeichnet werden. Dieser engere Durchmesser kann einen Durchmesser haben, der mindestens 10 % kleiner, mindestens 20 % kleiner oder mindestens 30 % kleiner oder 10 % bis 40 % kleiner ist als der Durchmesser des Reaktors, in den der erste Rußrohstoff zuvor eingeführt wurde.
Als eine Option kann die Einführung des ertragsarmen Rußrohstoffs in den Reaktor und in den Reaktionsstrom an einer Stelle erfolgen, die sich in einem Abstand von der Stelle befindet, an der der erste Rußrohstoff in den Reaktor eingeführt oder eingespritzt wird, und dieser Abstand kann mindestens das 1- oder mindestens das 2-fache des engsten Durchmessers, z. B. des Durchmessers 9 oder 64, der Anfangskammer 6 des Reaktors betragen (oder mindestens das 2-fache des Durchmessers des Reaktors, in den der erste Rußrohstoff eingeführt oder eingespritzt wurde). Dieser Abstand kann mindestens das 2,25-, mindestens das 2,5-, mindestens das 2,75-, mindestens das 3-, mindestens das 3,25-, mindestens das 3,5-, mindestens das 3,75- oder mindestens das 4-fache des Durchmessers der Anfangskammer (z. B. wo das Trägergas und/oder der Rohstoff elektrisch erhitzt wird) des Reaktors (oder mindestens das 2,25-, mindestens 2,5-, mindestens 2,75-, mindestens 3-, mindestens 3,25-, mindestens 3,5-, mindestens 3,75- oder mindestens 4-fache des Durchmessers des Reaktors ist, in den der erste Ruß eingeführt oder eingespritzt wurde) betragen.
Der ertragsarme Rußrohstoff kann an den Stellen 8 und/oder 59 durch einen oder mehrere Injektoren eingeführt werden.
Nachdem die Rohstoffe (erster Rußrohstoff und ertragsarmer Rußrohstoff) mit dem erhitzten Gasstrom kombiniert worden sind, umfassen die Verfahren der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen den Schritt des Quenchens der Reaktion.
Die Reaktion wird in der Quenchzone des Reaktors unterbrochen (siehe 62 in 6). Wie in 6 dargestellt, befindet sich die Quenchzone 62 stromabwärts von der letzten Injektionszone für der Rohstoff und sprüht ein Quenchfluid, wie z. B. Wasser, in den Strom der neu gebildeten Rußpartikel. Im Allgemeinen dient das Quenchen dazu, die Rußpartikel abzukühlen und die Temperatur des Gasstroms zu senken und die Reaktionsgeschwindigkeit zu verringern. Der Abstand 67 ist der Abstand zwischen dem Beginn des letzten Injektionspunkts des Rohstoffs und dem Quenchpunkt 62 und variiert je nach Position des Quenchs. Optional kann das Quenchen stufenweise erfolgen oder an mehreren Punkten im Reaktor stattfinden. Es können auch ein Druckspray, ein gaszerstäubtes Spray oder andere Quenchtechniken eingesetzt werden. Zum vollständigen Quenchen der Reaktionen zur Bildung des Rußes kann jedes dem Fachmann bekannte Mittel zum Quenchen der Reaktion stromabwärts der Einführung der rußbildenden Rohstoffe verwendet werden. So kann beispielsweise ein Quenchfluid, das Wasser oder andere geeignete Fluide sein kann, eingespritzt werden, um die chemische Reaktion zu stoppen.
Nach dem Quenchen werden die gekühlten Gase und der Ruß stromabwärts in eine herkömmliche Kühl- und Trennvorrichtung geleitet, wodurch das Produkt zurückgewonnen wird. Die Abtrennung des Rußes aus dem Gasstrom kann mit herkömmlichen Mitteln wie einem Abscheider, einem Zyklonabscheider, einem Schlauchfilter oder anderen Mitteln, die dem Fachmann bekannt sind, durchgeführt werden. Nach der Abtrennung des Rußes aus dem Gasstrom kann der Ruß optional einem Pelletierungsschritt unterzogen werden.
Bei jedem der Verfahren der vorliegenden Erfindung kann, als eine Option, der hergestellte Ruß kein Ruß mit einem Kern und einer Beschichtung sein.
Bei jedem der Verfahren der vorliegenden Erfindung kann, als eine Option, der Ruß auch vollständig in-situ im Reaktor gebildet werden.
Als eine Option können einer oder mehrere der Rußrohstoffe oder andere Komponenten, die in den Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, vor der Einführung in den Reaktor vorerhitzt werden. Geeignete Vorerhitzungstemperaturen und/oder Vorerhitzungstechniken können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie sie beispielsweise ausgeführt sind im US-Patent Nr. 3,095,273 , das am 25. Juni 1963 Austin erteilt wurde; US-Patent Nr. 3,288,696 , das am 29. November 1966 Orbach erteilt wurde; US-Patent Nr. 3,984,528 , das am 5. Oktober 1976 Cheng et al. erteilt wurde; US-Patent Nr. 4,315,901 , das am 16. Februar 1982 Cheng et al. erteilt wurde; US-Patent Nr. 4,765,964 , das am 23. August 1988 Gravley et al. erteilt wurde; US-Patent Nr. 5,997,837 , das am 7. Dezember 1999 Lynum et al. erteilt wurde; US-Patent Nr. 7,097,822 , das am 29. August 2006 Godal et al. erteilt wurde; US-Patent Nr. 8,871,173B2 , das am 28. Oktober 2014 Nester et al. erteilt wurde oder CA 682982 , wobei alle Dokumente hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit enthalten sind. Alternativ oder zusätzlich kann der ertragsarme Ruß auf eine höhere Temperatur vorerhitzt werden, als dies für einen ertragsreichen Rohstoff üblich ist. Beispielsweise kann der ertragsarme Ruß auf eine Temperatur von mehr als 600 °C, z. B. 600-800 °C, selbst bei Umgebungsdruck erhitzt werden. Da der ertragsarme Ruß eine geringe Konzentration an Asphaltenen aufweist, entstehen beim Erhitzen auf eine so hohe Temperatur keine wesentlichen Mengen an Koks oder anderen festen Nicht-Rußarten. Alternativ oder zusätzlich können einer oder mehrere der Rußrohstoffe vor der Einführung in den Reaktor mit einem Streckmittelfluid kombiniert werden, wie z. B. im US-Patent Nr. 10,829,642 von Unrau beschrieben, dessen gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Als eine Option wird das Verfahren in Abwesenheit von mindestens einer Substanz durchgeführt, die ein Element der Gruppe IA oder der Gruppe IIA (oder ein Ion davon) des Periodensystems ist oder mindestens ein solches enthält.
Als eine Option kann das Verfahren in jedem der erfindungsgemäßen Verfahren den Schritt der Einführung mindestens einer Substanz umfassen, die mindestens ein Element der Gruppe IA oder der Gruppe IIA (oder ein Ion davon) des Periodensystems ist oder enthält. Vorzugsweise enthält die Substanz mindestens ein Alkalimetall oder Erdalkalimetall. Beispiele umfassen Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium, Cäsium, Francium, Calcium, Barium, Strontium oder Radium oder Kombinationen davon. In der Substanz können beliebige Mischungen aus einem oder mehreren dieser Komponenten vorhanden sein. Die Substanz kann ein Feststoff, Lösung, Dispersion, Gas oder eine Kombination davon sein. Es kann mehr als ein Stoff mit der gleichen oder einer anderen Gruppe IA oder Gruppe IIA Metall verwendet werden. Wenn mehrere Stoffe verwendet werden, können die Stoffe zusammen, getrennt, nacheinander oder an verschiedenen Reaktionsstellen zugegeben werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann die Substanz das Metall (oder Metallion) selbst, eine Verbindung, die eines oder mehrere dieser Elemente enthält, einschließlich eines Salzes, das eines oder mehrere dieser Elemente enthält, und dergleichen sein. Vorzugsweise ist die Substanz in der Lage, ein Metall oder Metallion in die Reaktion einzubringen, die zur Bildung des Rußprodukts abläuft. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird die Substanz vorzugsweise vor dem vollständigen Quenchen, wie oben beschrieben, zugegeben. Beispielsweise kann die Substanz an jedem beliebigen Punkt vor dem vollständigen Quenchen zugegeben werden, einschließlich vor der Einführung eines oder beider rußliefernder Rohstoffe, während der Einführung eines oder beider rußliefernder Rohstoffe, nach der Einführung eines oder aller rußliefernder Rohstoffe oder nach der Einführung aller Rohstoffe, aber vor dem vollständigen Quenchen. Es kann mehr als ein Einführungspunkt der Substanz verwendet werden. Die Menge der Gruppe IA oder Gruppe IIA metallhaltigen Substanz kann jede Menge sein, solange ein Rußprodukt gebildet werden kann. Beispielsweise kann die Menge der Substanz in einer solchen Menge zugegeben werden, dass 200 ppm oder mehr des Elements der Gruppe IA oder der Gruppe IIA in dem letztendlich gebildeten Rußprodukt vorhanden sind. Andere Mengen umfassen von etwa 200 ppm bis etwa 5000 ppm oder mehr, und andere Bereiche können von etwa 300 ppm bis etwa 1000 ppm oder von etwa 500 ppm bis etwa 1000 ppm des Elements der Gruppe IA oder der Gruppe IIA in dem gebildeten Rußprodukt betragen. Diese Werte können sich auf die Metallionenkonzentration beziehen. Wie erwähnt, können sich diese Mengen des Elements der Gruppe IA oder der Gruppe IIA, die in dem gebildeten Rußprodukt vorhanden sind, auf ein Element oder mehr als ein Gruppe IA oder Gruppe IIA Element beziehen und wären somit eine kombinierte Menge der Gruppe IA oder Gruppe IIA Elemente, die in dem gebildeten Rußprodukt vorhanden sind. Die Substanz kann auf jede beliebige Art und Weise zugesetzt werden, einschließlich jede herkömmliche Weise. Mit anderen Worten, die Substanz kann auf die gleiche Weise zugegeben werden wie ein rußliefernder Rohstoff eingeführt wird. Die Substanz kann als ein Gas, Flüssigkeit oder Feststoff oder in einer Kombination davon zugegeben werden. Die Substanz kann an einer Stelle oder mehreren Stellen zugegeben werden und kann in einem einzigen Strom oder in einer Mehrzahl von Strömen zugegeben werden. Die Substanz kann mit dem Rohstoff, dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmittel vor oder während ihrer Zuführung vermischt werden.
Bezogen auf den nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten oder hergestellten Ruß, kann es sich bei dem gebildeten oder hergestellten Ruß um eine beliebige verstärkende oder nicht verstärkende Rußsorte handeln. Beispiele für verstärkende Sorten sind N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358 und N375. Beispiele für halbverstärkte Sorten sind N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787 und/oder N990.
Der Ruß kann durch spezifische Oberfläche, Struktur, Aggregatgröße, Form und Verteilung und/oder chemische und physikalische Eigenschaften der Oberfläche charakterisiert werden. Die Eigenschaften von Ruß werden analytisch mit in der Technik bekannten Tests bestimmt. So werden beispielsweise die Stickstoffadsorptionsoberfläche und die statistische Dicke der Oberfläche (STSA), ein weiteres Maß für die Oberfläche, durch Stickstoffadsorption gemäß ASTM-Testverfahren D6556 bestimmt. Die Jodzahl kann nach dem ASTM-Verfahren D1510 gemessen werden. Die „Struktur“ des Rußes beschreibt die Größe und Komplexität der Rußaggregate, die durch die Verschmelzung der primären Rußpartikel miteinander entstehen. Wie hier verwendet, kann die Rußstruktur als Ölabsorptionszahl (OAN) für den unzerkleinerten Ruß gemessen werden, ausgedrückt in Millilitern Öl pro 100 Gramm Ruß, gemäß dem in ASTM D2414 beschriebenen Verfahren. Die Ölabsorptionszahl für komprimierte Proben (COAN) misst den Teil der Rußstruktur, der sich durch mechanische Beanspruchung nicht leicht verändern lässt. COAN wird gemäß ATSM D3493 gemessen. Die Aggregatgrößenverteilung (ASD) wird nach der Methode ISO 15825 unter Verwendung der Scheibenzentrifugen-Photosedimentometrie mit einem BI-DCP Modell von Brookhaven Instruments gemessen.
Rußmaterialien mit geeigneten Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung können nach den ASTM-Standards ausgewählt und definiert werden (siehe z. B. ASTM D1765 Standard Classification System for Carbon Blacks Used in Rubber Products), z. B. Ruß der Serien N100, N200, N300, N500, N600, N700, N800 oder N900, beispielsweise N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787 oder N990 oder andere handelsübliche Rußqualitäten.
Der Ruß kann ein beliebiges STSA aufweisen, z. B. im Bereich von 5 m²/g bis 250 m²/g, 11 m²/g bis 250 m²/g, 20 m2/g bis 250 m²/g oder höher, beispielsweise mindestens 70 m²/g, wie von 70 m²/g bis 250 m²/g, oder 80 m2/g bis 200 m²/g oder von 90 m²/g bis 200 m²/g, oder von 100 m²/g bis 180 m²/g, von 110 m²/g bis 150 m²/g, von 120 m²/g bis 150 m²/g und dergleichen. Als eine Option kann der Ruß eine Jodzahl (I2 Nr) von etwa 5 bis etwa 35 mg I₂/g Ruß (gemäß ASTM D1510) aufweisen. Die hier offenbarten Rußpartikel können eine BET-Oberfläche, gemessen mit der Brunauer/Emmett/Teller (BET)-Technik gemäß dem Verfahren der ASTM D6556, von 5 m²/g bis 300 m²/g, beispielsweise zwischen 50 m²/g und 300 m²/g, z.B. zwischen 100 m²/g und 300 m²/g, aufweisen. Die BET-Oberfläche kann von etwa 100 m²/g bis etwa 200 m²/g oder von etwa 200 m²/g bis etwa 300 m²/g betragen.
Die Öladsorptionszahl (OAN) kann von 40 mL/100g bis 200 mL/100g sein, beispielsweise zwischen 60 mL/100g und 200 mL/100g, wie zwischen 80 mL/100g und 200 mL/100g, z.B., zwischen 100 mL/100g und 200 mL/100g oder zwischen 120 mL/100g und 200 mL/100g, mL/100g 140 mL/100g und 200 mL/100g mL/100g, 160 und 200 mL/100g oder wie zwischen 40 mL/100g und 150 mL/100g oder 40 mL/100g und 150 mL/100g.
Der COAN-Wert kann im Bereich von etwa 40 mL/100 g bis etwa 150 mL/100 g liegen, z. B. zwischen etwa 55 mL/100 g und etwa 150 mL/100 g, wie etwa zwischen etwa 80 mL/100 g und etwa 150 mL/100 g oder zwischen etwa 80 mL/100 g und etwa 120 mL/100 g.
Der Ruß kann ein Kohlenstoffprodukt sein, das siliciumhaltige Spezies und/oder metallhaltige Spezies und dergleichen enthält, was durch den weiteren Schritt der Einführung einer solchen Spezies mit oder zusätzlich zu einem oder beiden der rußliefernden Rohstoffe erreicht werden kann. Der Ruß kann für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ein mehrphasiges Aggregat sein, umfassend mindestens eine Kohlenstoffphase und mindestens eine Phase mit einer metallhaltigen Spezies oder eine Phase mit einer siliciumhaltigen Spezies (auch bekannt als siliciumbehandelter Ruß, wie z. B. ECOBLAK™-Materialien der Cabot Corporation).
Wie erwähnt, kann der Ruß ein Kautschukruß sein, und insbesondere ein verstärkender Ruß oder ein halbverstärkender Ruß.
Als eine Option kann der Ruß der vorliegenden Erfindung funktionelle Gruppen oder chemische Gruppen (z. B. abgeleitet von kleinen Molekülen oder Polymeren, entweder ionisch oder nichtionisch) aufweisen, die direkt an die Kohlenstoffoberfläche gebunden sind (z. B. kovalent gebunden). Beispiele für funktionelle Gruppen, die direkt (z. B. kovalent) an die Oberfläche der Rußpartikel gebunden werden können und Verfahren zur Durchführung der Oberflächenmodifikation sind beispielsweise im US-Patent Nr. 5,554,739 , das Belmont am 10. September 1996 erteilt wurde, und im US-Patent Nr. 5,922,118 , das Johnson et al. am 13. Juli 1999 erteilt wurde, beschrieben, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wurden.
Ein Beispiel für einen oberflächenmodifizierten Ruß, der hier verwendet werden kann, wird erhalten durch Behandlung von Ruß mit Diazoniumsalzen, die durch die Reaktion von entweder Sulfanilsäure oder para-Aminobenzoesäure (PABA) mit HCl und NaNO₂ gebildet werden. Die Oberflächenmodifizierung durch Sulfanilsäure- oder para-Aminobenzoesäureverfahren unter Verwendung von Diazoniumsalzen führt beispielsweise zu Ruß mit wirksamen Mengen an hydrophilen Bestandteilen auf der Kohlenstoffbeschichtung.
Der Ruß kann gemäß dem US-Patent Nr. 8,975,316 von Belmont et al. oberflächenmodifiziert werden, dessen Inhalt hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen wird.
Andere Techniken, die verwendet werden können, um funktionelle Gruppen an der Oberfläche des Rußes anzubringen, sind im US-Patent Nr. 7,300,964 beschrieben, das am 27. November 2007 an Niedermeier et al. erteilt wurde.
Oxidierter (modifizierter) Ruß kann auf ähnliche Weise hergestellt werden wie Ruß, wie beispielsweise im US-Patent Nr. 7,922,805 , das am 12. April 2011 an Kowalski et al. erteilt wurde, und im US-Patent Nr. 6,471,763 , das am 29. Oktober 2002 an Karl erteilt wurde, beschrieben ist und hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen wird. Ein oxidierter Ruß ist ein Ruß, der mit einem Oxidationsmittel oxidiert wurde, um ionische und/oder ionisierbare Gruppen auf der Oberfläche einzuführen. Solche Partikel können einen höheren Anteil an sauerstoffhaltigen Gruppen auf der Oberfläche aufweisen. Oxidationsmittel umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Sauerstoffgas, Ozon, Peroxide wie Wasserstoffperoxid, Persulfate, einschließlich Natrium- und Kaliumpersulfat, Hypohalogenite wie Natriumhypochlorit, oxidierende Säuren wie Salpetersäure und übergangsmetallhaltige Oxidationsmittel wie Permanganatsalze, Osmiumtetroxid, Chromoxide oder Cerammoniumnitrat. Es können auch Mischungen von Oxidationsmitteln verwendet werden, insbesondere Mischungen von gasförmigen Oxidationsmitteln wie Sauerstoff und Ozon. Andere Verfahren der Oberflächenmodifizierung, wie Chlorierung und Sulfonylierung, können ebenfalls eingesetzt werden, um ionische oder ionisierbare Gruppen einzuführen. Der Ruß kann durch jedes dem Fachmann bekannte Verfahren oberflächenmodifiziert werden. Beispielsweise kann der Ruß wie in US 10767028 beschrieben, deren gesamter Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird, wärmebehandelt werden.
Der Ruß kann in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, wie zum Beispiel als Verstärkung in Gummiprodukten, z.B. in Reifenkomponenten.
Der Ruß kann in Gummierzeugnisse eingearbeitet werden, die beispielsweise für die Lauffläche von Reifen, insbesondere die Lauffläche von Pkw-, Kleinwagen-, Lkw- und Busreifen, Off-The-Road („OTR“) Reifen, Flugzeugreifen und dergleichen, Unterlauffläche, Drahtummantelung, Seitenwände, Polstergummi für runderneuerte Reifen und andere Reifenverwendungen verwendet werden.
In anderen Anwendungen können die Partikel in industriellen Gummierzeugnissen verwendet werden, wie in Motorlagern, Hydrolagern, Brückenlagern und seismischen Isolatoren, Tankfahrzeuge oder -laufflächen, Bergbauförderbändern, Schläuchen, Dichtungen, Abdichtungen, Klingen, Wetterschutzartikeln, Stoßfängern, Antivibrationsteilen und anderen.
Der Ruß kann als eine Alternative oder zusätzlich zu ersten Verstärkungsmitteln für Reifenkomponenten und/oder andere industrielle Kautschukendverwendungen zugesetzt werden. Der Ruß kann mit natürlichem und/oder synthetischem Kautschuk in einem geeigneten Trocken- oder Nassmischverfahren auf der Grundlage eines internen Chargenmischers, Durchlaufmischers oder Walzenmühle kombiniert werden.
Alternativ kann der Ruß über ein flüssiges Masterbatch-Verfahren in den Kautschuk gemischt werden. Beispielsweise kann eine Aufschlämmung, die die hier beschriebenen Teilchen enthält, auch mit Elastomerlatex in einem Bottich kombiniert und dann durch Zugabe eines Koagulationsmittels, wie einer Säure, koaguliert werden, unter Verwendung der in U.S. Patent. Nr. 6,841,606 beschriebenen Technik.
Der Ruß kann gemäß dem US-Patent Nr. 6,048,923 , das am 11. April 2000 an Mabry et al. erteilt wurde und durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit in dieses Dokument aufgenommen wurde, eingebracht werden. Ein Verfahren zur Herstellung von Elastomer-Masterbatch kann beispielsweise die gleichzeitige Zuführung eines partikelförmigen Füllstofffluids und eines Elastomerlatexfluids in eine Mischzone eines Koagulationsreaktors umfassen. Von der Mischzone aus erstreckt sich eine Koagulationszone, deren Querschnittsfläche vorzugsweise von einem Eintrittsende zu einem Austrittsende stromabwärts zunimmt. Der Elastomerlatex kann entweder natürlich oder synthetisch sein, und der partikelförmige Füllstoff umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus dem oben beschriebenen Material. Der partikelförmige Füllstoff wird der Mischzone vorzugsweise als kontinuierlicher Hochgeschwindigkeitsstrahl von eingespritztem Fluid zugeführt, während die Latexflüssigkeit mit geringer Geschwindigkeit zugeführt wird. Die Geschwindigkeit, Flussrate und Partikelkonzentration des partikelförmigen Füllstoffs reichen aus, um eine Vermischung mit hoher Scherung des Latexfluids und eine Strömungsturbulenz der Mischung zumindest in einem stromaufwärts gelegenen Teil der Koagulationszone zu bewirken, so dass der Elastomerlatex mit dem partikelförmigen Füllstoff vor dem Auslassende im Wesentlichen vollständig koaguliert. Die im Wesentlichen vollständige Koagulation kann ohne Säure oder Salz als Koagulationsmittel erfolgen. Wie im US-Patent Nr. 6,075,084 offenbart, das hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, kann dem Material, das aus dem Austragsende des Koagulationsreaktors austritt, zusätzliches Elastomer zugesetzt werden. Wie in U.S. Patent Nr. 6,929,783 , das hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, offenbart, kann das Koagulum dann einem Entwässerungsextruder zugeführt werden. Weitere Beispiele für geeignete Masterbatch-Verfahren sind in dem US-Patent Nr. 6,929,783 von Chung et al., US-Anmeldung 2012/0264875A1 von Berriot et al., US-Anmeldung 2003/0088006A1 von Yanagisawa et al. und EP 1.834.985 B1 erteilt an Yamada et al. offenbart.
Ruß kann in einer geeigneten Kautschukformulierung unter Verwendung von natürlichem oder synthetischem Kautschuk bewertet werden. Geeignete Rußmengen zur Verwendung können durch Routineexperimente, Berechnungen und unter Berücksichtigung von Faktoren wie übliche Beladungen von ASTM-Standardrußen in vergleichbaren Herstellungsverfahren, Parametern, die für die verwendeten Techniken und/oder Geräte spezifisch sind, Vorhandensein oder Abwesenheit anderer Additive, gewünschten Eigenschaften des Endprodukts usw. bestimmt werden.
Die Leistung des Rußes als Verstärkungsmittel für Kautschukmischungen kann beispielsweise durch die Bestimmung der Leistung einer Kautschukzusammensetzung, die die Teilchen verwendet, im Verhältnis zur Leistung einer vergleichbaren Kautschukzusammensetzung, die in jeder Hinsicht ähnlich ist, mit Ausnahme der Verwendung einer für die gegebene Anwendung geeigneten Rußqualität, bewertet werden. In anderen Ansätzen können die für die erfindungsgemäß hergestellten Zusammensetzungen erhaltenen Werte mit Werten verglichen werden, die auf dem Gebiet der Technik als mit den gewünschten Parametern in einer bestimmten Anwendung verbunden bekannt sind.
Geeignete Tests umfassen Tests für grünen Gummi, Vulkanisationstests und Tests für vulkanisierten Gummi. Unter den geeigneten Tests für grünen Gummi legt ASTM D4483 eine Testmethode für den ML1+4 Mooney Viskositätstest bei 100 °C fest. Die Anvulkanisationszeit wird nach ASTM D4818 gemessen.
Die Vulkanisationskurve wurde mit dem Rubber Process Analyzer (RPA2000) bei 0,5°, 100 cpm und 150C (NR) - 160C (SBR) gemäß ASTM D5289 ermittelt.
Die Leistungsmerkmale der vulkanisierten Proben können durch eine Reihe geeigneter Tests bestimmt werden. Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Spannung bei verschiedenen Dehnungen (z. B. 100 % und 300 %) werden nach ASTM D412 Methode A ermittelt. Die dynamischen mechanischen Eigenschaften, einschließlich Speichermodul, Verlustmodul und tan δ, werden durch einen Dehnungs-Sweep-Test bei 10 Hz, 60 C und verschiedenen Dehnungsamplituden von 0,1 % bis 63 % ermittelt. Die Shore-A-Härte wird gemäß ASTM D2240 gemessen. Die Reißfestigkeit von vulkanisierten Gummiproben des Typs B werden gemäß ATSM D624 gemessen.
Die nicht dispergierte Fläche wird durch die Analyse von Bildern, erhalten durch optische Mikroskopie im Reflexionsmodus für vulkanisierte Kautschukmischungen mit einer geschnittenen Querschnittsfläche nach verschiedenen berichteten Methoden, berechnet. Die Dispersion kann auch durch den Z-Wert dargestellt werden (gemessen, nach Vernetzung, nach dem Verfahren beschrieben von S. Otto und Al in Kautschuk Gummi Kunststoffe, 58. Jahrgang, NR 7-8/2005, Artikel mit dem Titel „New Reference value for the description of Filler Dispersion with the Dispergrader 1000NT“). Die Norm ISO 11345 legt visuelle Methoden für die schnelle und vergleichende Bewertung des Makrodispersionsgrades von Ruß und Ruß/Kieselerde in Gummi fest. Die Abriebfestigkeit wird als Index auf der Grundlage des Abriebverlustes von vulkanisiertem Gummi mit dem Cabot Abrader (Typ Lambourn) quantifiziert. Günstige Abriebfestigkeitswerte können auf vorteilhafte Verschleißeigenschaften hindeuten. Gute Hysteresewerte können mit einem geringen Rollwiderstand (und entsprechend höherer Kraftstoffeinsparung) für Kraftfahrzeugreifenanwendungen, geringerer Wärmeentwicklung, Reifenhaltbarkeit, Lebensdauer von Lauffläche und Karkasse, Kraftstoffeinsparungen für Kraftfahrzeuge usw. in Verbindung gebracht werden.
Die Jodzahl (I2-Nr.) wird nach dem ASTM-Testverfahren D1510 bestimmt. STSA (Statistical Thickness Surface Area) wird auf der Grundlage von ASTM Testverfahren D-5816 bestimmt (gemessen durch Stickstoffadsorption). OAN wird auf der Grundlage von ASTM D2414 bestimmt. COAN wird auf der Grundlage von ASTM D3493 (z. B. D3493-20) bestimmt.
Sofern nicht anders angegeben, sind alle hier in Prozent angegebenen Materialanteile in Gewichtsprozent angegeben.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele, die nur exemplarischen Charakter haben sollen, weiter verdeutlicht.
Die vorliegende Erfindung umfasst die folgenden Aspekte/Ausführungsformen/Merkmale in beliebiger Reihenfolge und/oder in beliebiger Kombination:

1. Verfahren zur Herstellung eines Rußes, umfassend:
- elektrisches Erhitzen eines Trägergases, um ein erhitztes Trägergas zu bilden, so dass Pyrolyse von mindestens einem Teil eines Rußrohstoffs in einem Rußreaktor durch Kontakt mit dem erhitzten Trägergas stattfindet, wobei der Rußrohstoff mindestens einen ersten Rußrohstoff und mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoff umfasst;
- Kombinieren des mindestens einen ersten Rußrohstoffs mit dem erhitzten Trägergas, um einen Reaktionsstrom zu bilden, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst;
- stromabwärts Kombinieren von mindestens einem ertragsarmen Rußrohstoff mit dem vorliegenden Reaktionsstrom, um den Ruß zu bilden, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst; und
- Rückgewinnung des Rußes im Reaktionsstrom, wobei der erste Rußrohstoff bei Raumtemperatur und Druck flüssig ist und die folgenden Eigenschaften aufweist:
  - - einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) ≥ 100,
  - - ein H:C-Atomverhältnis von ≤ 1,23 und
  - - ein spezifisches Gewicht von > 1,02;
  und wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist:
  - einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) < 100, oder
- ein H:C-Atomverhältnis von > 1,23, oder
  - ein spezifisches Gewicht von ≤ 1,02, oder
- ein Gas bei Raumtemperatur und Druck ist, und
  - wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist und der mindestens eine erste Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines Rußes, umfassend:
- elektrisches Erhitzen eines Trägergases, um ein erhitztes Trägergas zu bilden, so dass Pyrolyse von mindestens einem Teil eines Rußrohstoffs in einem Rußreaktor durch Kontakt mit dem erhitzten Trägergas stattfindet, wobei der Rußrohstoff mindestens einen ersten Rußrohstoff und mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoff umfasst;
- Kombinieren des mindestens einen ersten Rußrohstoffs und des mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoffs als Mischung oder als getrennte Zugaben an der gleichen Stelle oder ungefähr der gleichen Stelle mit dem erhitzten Trägergas, um einen Reaktionsstrom zu bilden, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs und der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst; und
- Rückgewinnung des Rußes im Reaktionsstrom, wobei der erste Rußrohstoff bei Raumtemperatur und Druck flüssig ist und die folgenden Eigenschaften aufweist:
  - - einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) ≥ 100,
  - - ein H:C-Atomverhältnis von ≤ 1,23 und
  - - ein spezifisches Gewicht von > 1,02;
  und wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist:
  - einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) < 100, oder
  - ein H:C-Atomverhältnis von > 1,23, oder
    - ein spezifisches Gewicht von ≤ 1,02, oder
  - ein Gas bei Raumtemperatur und Druck ist, und
    - wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist und der mindestens eine erste Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Rußes, umfassend:
- elektrisches Erhitzen mindestens eines ersten Rußrohstoffs zur Bildung eines Reaktionsstroms, so dass Pyrolyse von mindestens einem Teil des mindestens einen ersten Rußrohstoffs in einem Rußreaktor stattfindet, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst;
- stromabwärts Kombinieren von mindestens einem ertragsarmen Rußrohstoff mit dem vorliegenden Reaktionsstrom, um den Ruß zu bilden, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst; und
- Rückgewinnung des Rußes im Reaktionsstrom, wobei der erste Rußrohstoff bei Raumtemperatur und Druck flüssig ist und die folgenden Eigenschaften aufweist:
  - - einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) ≥ 100,
  - - ein H:C-Atomverhältnis von ≤ 1,23 und
  - - ein spezifisches Gewicht von > 1,02;
  und wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist:
  - einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) < 100, oder
  - ein H:C-Atomverhältnis von > 1,23, oder
    - ein spezifisches Gewicht von ≤ 1,02, oder
  - ein Gas bei Raumtemperatur und Druck ist, und
    - wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist und der mindestens eine erste Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist.
4. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, ferner umfassend das elektrische Erhitzen des mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoffs.
5. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei das elektrische Erhitzen des mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoffs das Erhitzen des ertragsarmen Rußrohstoffs auf eine Temperatur von 600 bis 800° C umfasst.
6. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, ferner umfassend das elektrische Erhitzen mindestens einer von des mindestens einen ersten Rußrohstoffs und des mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoffs.
7. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei das elektrische Erhitzen durch einen Lichtbogen erreicht wird.
8. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei das elektrische Erhitzen mit einem Widerstands- oder Induktionsheizelement erreicht wird.
9. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei das Heizelement Magnesiumoxid oder Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid ist.
10. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei das erhitzte Trägergas eine Temperatur von mehr als 2000 °C hat.
11. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei das elektrische Erhitzen mit einem induktiven oder mikrowellenbasierten Verfahren erreicht wird, das einen direkten Kontakt zwischen einer Elektrode und einem Trägergas oder Rußrohstoff verhindert.
12. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei das elektrische Erhitzen mit einem Plasmalichtbogen oder einem Heizelement in direktem Kontakt mit dem Rußrohstoff erreicht wird.
13. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens einer der folgenden ist:
1. a) der besagte Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) < 95, oder
2. b) das Gas bei Raumtemperatur und Druck, oder
3. c) das H:C-Atomverhältnis von > 1,3, oder
4. d) das spezifische Gewicht ≤1,0.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ertragsarme Rußrohstoff ein spezifisches Gewicht von höchstens 1,02 besitzt.
15. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens eines der folgenden umfasst: ein pflanzliches oder Pflanzen-basiertes Öl, ein Ethanol auf biologischer Basis, ein pflanzlich oder tierisch produziertes Wachs oder Harz, ein aus tierischem Fett gewonnenes Öl, ein Algenöl, ein durch Pyrolyse von Klärschlamm oder landwirtschaftlichen Abfällen gewonnenes Öl, ein flüssiges Nebenprodukt aus der Verarbeitung eines biogenen Materials, eine durch hydrothermale Verflüssigung eines Biomaterials gewonnene Flüssigkeit, ein unverarbeitetes Tallöl, ein Tallölkolophonium, ein Tallölpech oder eine Tallölfettsäure, ein aus recyceltem Material hergestelltes Öl, ein aus der Pyrolyse von minderwertigen, ausgemusterten oder ausgedienten Reifen gewonnenes Öl, ein aus der Pyrolyse von ausrangierten oder recycelten Kunststoffen oder Gummiprodukten gewonnenes Öl, ein aus der Pyrolyse von festen Siedlungsabfällen gewonnenes Öl oder ein aus der Pyrolyse von Biomasse gewonnenes Öl oder beliebige Kombinationen davon.
16. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der mindestens erste Rußrohstoff eines oder mehrere von Dekantieröl, Slurryöl, Kohlenteer, einem Kohlenteerderivat, Ethylen-Crackerrückstand oder Phenol-Crackerrückstand umfasst.
17. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der erste Rußrohstoff eine Fraktion ist, erhalten aus der Destillation von Reifenpyrolyseöl.
18. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der ertragsarme Rußrohstoff 50-90 Gew.-% des gesamten Rohstoffeintrags in dem Verfahren beträgt.
19. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der ertragsarme Rußrohstoff 60-90 Gew.-% des gesamten Rohstoffeintrags in dem Verfahren beträgt.
20. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der Rußreaktor eine erste Kammer, in der die elektrische Erhitzung stattfindet, und einen Hals stromabwärts der ersten Kammer und eine Reaktionskammer stromabwärts des Halses und eine Quenchzone stromabwärts der Reaktionskammer besitzt, und wobei der erste Rußrohstoff in den Hals eingespritzt wird und der ertragsarme Rußrohstoff nach dem Hals eingespritzt wird.
21. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei die Rußreaktion einen zweiten Hals stromabwärts der Reaktionskammer und vor der Quenchzone umfasst und der ertragsarme Rußrohstoff in den zweiten Hals eingespritzt wird.
22. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff in den Rußreaktor an einer ersten Stelle und an mindestens einer separaten Stelle stromabwärts der ersten Stelle eingeführt wird.
23. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei die Menge des ersten Rußrohstoffs, der an der ersten Stelle eingeführt wird, mehr als 50 % der Gesamtmenge des ersten Rußrohstoffs beträgt.
24. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff an mindestens zwei separate Stellen in den Rußreaktor eingeführt wird, wobei eine der separaten Stellen stromabwärts von der anderen liegt.
25. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff eine Mischung ist, die weniger als 50 Gew.-% eines nicht ertragsreichen Rußrohstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Rußrohstoffs, umfasst.
26. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff eine Mischung ist, die weniger als 5 Gew.-% eines ertragsarmen Rußrohstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Rußrohstoffs, umfasst.
27. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff eine Mischung ist, die weniger als 50 Gew.-% eines ertragsreichen Rußrohstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des ertragsarmen Rußrohstoffs, umfasst.
28. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff eine Mischung ist, die weniger als 5 Gew.-% eines ertragsreichen Rußrohstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des ertragsarmen Rußrohstoffs, umfasst.
29. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der ertragsarme Rußrohstoff einen BMCI von < 100 besitzt.
30. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der ertragsarme Rußrohstoff das H:C-Atomverhältnis von >1,23 besitzt.
31. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der ertragsarme Rußrohstoff das Gas bei Raumtemperatur und Druck ist.
32. Verfahren nach einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt, wobei der zurückgewonnene Ruß ein Ruß der Qualität N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787 oder N990 ist.
33. Ruß, hergestellt nach einem der Verfahren einer der vorhergehenden oder folgenden Ausführungsform/Merkmal/Aspekt,

Die vorliegende Erfindung kann jede Kombination dieser verschiedenen Merkmale oder Ausführungsformen oben und/oder unten, wie in den Sätzen und/oder Absätzen hierin dargelegt, umfassen. Jede Kombination der hierin offengelegten Merkmale wird als Teil der vorliegenden Erfindung betrachtet, und es ist keine Einschränkung in Bezug auf die kombinierbaren Merkmale beabsichtigt.
Der Anmelder bezieht ausdrücklich den gesamten Inhalt aller zitierten Referenzen in diese Offenbarung ein. Wenn eine Menge, eine Konzentration oder ein anderer Wert oder Parameter entweder als Bereich, bevorzugter Bereich oder als Liste oberer bevorzugter Werte und unterer bevorzugter Werte angegeben wird, ist dies so zu verstehen, dass damit ausdrücklich alle Bereiche offengelegt werden, die sich aus einem beliebigen Paar eines oberen Bereichsgrenzwerts oder bevorzugten Werts und eines unteren Bereichsgrenzwerts oder bevorzugten Werts ergeben, unabhängig davon, ob Bereiche separat offengelegt werden. Wird hier ein Bereich numerischer Werte genannt, so umfasst dieser Bereich, sofern nicht anders angegeben, die Endpunkte sowie alle ganzen Zahlen und Brüche innerhalb des Bereichs. Es ist nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung auf die spezifischen Werte zu beschränken, wenn ein Bereich definiert wird.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der Betrachtung der vorliegenden Beschreibung und der hier offengelegten Anwendung der vorliegenden Erfindung ersichtlich sein. Es ist beabsichtigt, dass die vorliegende Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei der wahre Umfang und Geist der Erfindung durch die folgenden Ansprüche und deren Äquivalente angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US-Patent Nr. 1,536,612 [0004]
US-Patent Nr. 10,100,200 [0006]
US8350105 [0065]
US20180320082 [0065]
US9920262 [0065]
WO2019236214 [0065]
US20130039841 [0065]
8,221,689 [0076]
US-Patent Nr. 7,563,525 [0076]
US-Patent Nr. 9,574,086 [0079]
US-Patent Nr. 3,095,273 [0114]
US-Patent Nr. 3,288,696 [0114]
US-Patent Nr. 3,984,528 [0114]
US-Patent Nr. 4,315,901 [0114]
US-Patent Nr. 4,765,964 [0114]
US-Patent Nr. 5,997,837 [0114]
US-Patent Nr. 7,097,822 [0114]
US-Patent Nr. 8,871,173B2 [0114]
CA 682982 [0114]
US-Patent Nr. 10,829,642 [0114]
US-Patent Nr. 5,554,739 [0125]
US-Patent Nr. 5,922,118 [0125]
US-Patent Nr. 8,975,316 [0127]
US-Patent Nr. 7,300,964 [0128]
US-Patent Nr. 7,922,805 [0129]
US-Patent Nr. 6,471,763 [0129]
US 10767028 [0129]
6,841,606 [0134]
US-Patent Nr. 6,048,923 [0135]
US-Patent Nr. 6,075,084 [0135]
6,929,783 [0135]
US-Anmeldung 2012/0264875A1 [0135]
US-Anmeldung 2003/0088006A1 [0135]
EP 1.834.985 B1 [0135]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. Otto und Al in Kautschuk Gummi Kunststoffe, 58. Jahrgang, NR 7-8/2005, Artikel mit dem Titel „New Reference value for the description of Filler Dispersion with the Dispergrader 1000NT [0141]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rußes, umfassend: elektrisches Erhitzen eines Trägergases, um ein erhitztes Trägergas zu bilden, so dass Pyrolyse von mindestens einem Teil eines Rußrohstoffs in einem Rußreaktor durch Kontakt mit dem erhitzten Trägergas stattfindet, wobei der Rußrohstoff mindestens einen ersten Rußrohstoff und mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoff umfasst; Kombinieren des mindestens einen ersten Rußrohstoffs mit dem erhitzten Trägergas, um einen Reaktionsstrom zu bilden, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst; stromabwärts Kombinieren von mindestens einem ertragsarmen Rußrohstoff mit dem vorliegenden Reaktionsstrom, um den Ruß zu bilden, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst; und Rückgewinnung des Rußes im Reaktionsstrom, wobei der erste Rußrohstoff bei Raumtemperatur und Druck flüssig ist und die folgenden Eigenschaften aufweist: - einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) ≥ 100, - ein H:C-Atomverhältnis von ≤ 1,23 und - ein spezifisches Gewicht von > 1,02; und wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) < 100, oder ein H:C-Atomverhältnis von > 1,23, oder ein spezifisches Gewicht von ≤ 1,02, oder ein Gas bei Raumtemperatur und Druck ist, und wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist und der mindestens eine erste Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Rußes, umfassend: elektrisches Erhitzen eines Trägergases, um ein erhitztes Trägergas zu bilden, so dass Pyrolyse von mindestens einem Teil eines Rußrohstoffs in einem Rußreaktor durch Kontakt mit dem erhitzten Trägergas stattfindet, wobei der Rußrohstoff mindestens einen ersten Rußrohstoff und mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoff umfasst; Kombinieren des mindestens einen ersten Rußrohstoffs und des mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoffs als Mischung oder als getrennte Zugaben an der gleichen Stelle oder ungefähr der gleichen Stelle mit dem erhitzten Trägergas, um einen Reaktionsstrom zu bilden, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs und der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst; und Rückgewinnung des Rußes im Reaktionsstrom, wobei der erste Rußrohstoff bei Raumtemperatur und Druck flüssig ist und die folgenden Eigenschaften aufweist: - einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) ≥ 100, - ein H:C-Atomverhältnis von ≤ 1,23 und - ein spezifisches Gewicht von > 1,02;und wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) < 100, oder ein H:C-Atomverhältnis von > 1,23, oder ein spezifisches Gewicht von ≤ 1,02, oder ein Gas bei Raumtemperatur und Druck ist, und wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist und der mindestens eine erste Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Rußes, umfassend: elektrisches Erhitzen mindestens eines ersten Rußrohstoffs zur Bildung eines Reaktionsstroms, so dass Pyrolyse von mindestens einem Teil des mindestens einen ersten Rußrohstoffs in einem Rußreaktor stattfindet, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst; stromabwärts Kombinieren von mindestens einem ertragsarmen Rußrohstoff mit dem vorliegenden Reaktionsstrom, um den Ruß zu bilden, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff mindestens 10 Gew.-% des gesamten Rußrohstoffs umfasst; und Rückgewinnung des Rußes im Reaktionsstrom, wobei der erste Rußrohstoff bei Raumtemperatur und Druck flüssig ist und die folgenden Eigenschaften aufweist: - einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) ≥ 100, - ein H:C-Atomverhältnis von ≤ 1,23 und - ein spezifisches Gewicht von > 1,02; und wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens eine der folgenden Eigenschaften aufweist: einen Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) < 100, oder ein H:C-Atomverhältnis von > 1,23, oder ein spezifisches Gewicht von ≤ 1,02, oder ein Gas bei Raumtemperatur und Druck ist, und wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist und der mindestens eine erste Rußrohstoff in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-%, bezogen auf den gesamten Rußrohstoff, vorhanden ist.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend das elektrische Erhitzen des mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoffs.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das elektrische Erhitzen des mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoffs das Erhitzen des ertragsarmen Rußrohstoffs auf eine Temperatur von 600 bis 800° C umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend das elektrische Erhitzen mindestens einer von des mindestens einen ersten Rußrohstoffs und des mindestens einen ertragsarmen Rußrohstoffs.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das elektrische Erhitzen durch einen Lichtbogen erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das elektrische Erhitzen mit einem Widerstands- oder Induktionsheizelement erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Heizelement Magnesiumoxid oder Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkonoxid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, wobei das erhitzte Trägergas eine Temperatur von mehr als 2000 °C hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das elektrische Erhitzen mit einem induktiven oder mikrowellenbasierten Verfahren erreicht wird, das einen direkten Kontakt zwischen einer Elektrode und einem Trägergas oder Rußrohstoff verhindert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das elektrische Erhitzen mit einem Plasmalichtbogen oder einem Heizelement in direktem Kontakt mit dem Rußrohstoff erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens einer der folgenden ist: a) der besagte Bureau of Mines Korrelationsindex (BMCI) < 95, oder b) das Gas bei Raumtemperatur und Druck, oder c) das H:C-Atomverhältnis von > 1,3, oder d) das spezifische Gewicht ≤1,0.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ertragsarme Rußrohstoff ein spezifisches Gewicht von höchstens 1,02 besitzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ertragsarme Rußrohstoff mindestens eines der folgenden umfasst: ein pflanzliches oder Pflanzen-basiertes Öl, ein Ethanol auf biologischer Basis, ein pflanzlich oder tierisch produziertes Wachs oder Harz, ein aus tierischem Fett gewonnenes Öl, ein Algenöl, ein durch Pyrolyse von Klärschlamm oder landwirtschaftlichen Abfällen gewonnenes Öl, ein flüssiges Nebenprodukt aus der Verarbeitung eines biogenen Materials, eine durch hydrothermale Verflüssigung eines Biomaterials gewonnene Flüssigkeit, ein unverarbeitetes Tallöl, ein Tallölkolophonium, ein Tallölpech oder eine Tallölfettsäure, ein aus recyceltem Material hergestelltes Öl, ein aus der Pyrolyse von minderwertigen, ausgemusterten oder ausgedienten Reifen gewonnenes Öl, ein aus der Pyrolyse von ausrangierten oder recycelten Kunststoffen oder Gummiprodukten gewonnenes Öl, ein aus der Pyrolyse von festen Siedlungsabfällen gewonnenes Öl oder ein aus der Pyrolyse von Biomasse gewonnenes Öl oder beliebige Kombinationen davon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens erste Rußrohstoff eines oder mehrere von Dekantieröl, Slurryöl, Kohlenteer, einem Kohlenteerderivat, Ethylen-Crackerrückstand oder Phenol-Crackerrückstand umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Rußrohstoff eine Fraktion ist, erhalten aus der Destillation von Reifenpyrolyseöl.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ertragsarme Rußrohstoff 50-90 Gew.-% des gesamten Rohstoffeintrags in dem Verfahren beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ertragsarme Rußrohstoff 60-90 Gew.-% des gesamten Rohstoffeintrags in dem Verfahren beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rußreaktor eine erste Kammer, in der die elektrische Erhitzung stattfindet, und einen Hals stromabwärts der ersten Kammer und eine Reaktionskammer stromabwärts des Halses und eine Quenchzone stromabwärts der Reaktionskammer besitzt, und wobei der erste Rußrohstoff in den Hals eingespritzt wird und der ertragsarme Rußrohstoff nach dem Hals eingespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Rußreaktion einen zweiten Hals stromabwärts der Reaktionskammer und vor der Quenchzone umfasst und der ertragsarme Rußrohstoff in den zweiten Hals eingespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff in den Rußreaktor an einer ersten Stelle und an mindestens einer separaten Stelle stromabwärts der ersten Stelle eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Menge des ersten Rußrohstoffs, der an der ersten Stelle eingeführt wird, mehr als 50 % der Gesamtmenge des ersten Rußrohstoffs beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff an mindestens zwei separate Stellen in den Rußreaktor eingeführt wird, wobei eine der separaten Stellen stromabwärts von der anderen liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff eine Mischung ist, die weniger als 50 Gew.-% eines nicht ertragsreichen Rußrohstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Rußrohstoffs, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine erste Rußrohstoff eine Mischung ist, die weniger als 5 Gew.-% eines ertragsarmen Rußrohstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des ersten Rußrohstoffs, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff eine Mischung ist, die weniger als 50 Gew.-% eines ertragsreichen Rußrohstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des ertragsarmen Rußrohstoffs, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine ertragsarme Rußrohstoff eine Mischung ist, die weniger als 5 Gew.-% eines ertragsreichen Rußrohstoffs, bezogen auf das Gesamtgewicht des ertragsarmen Rußrohstoffs, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ertragsarme Rußrohstoff einen BMCI von < 100 besitzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ertragsarme Rußrohstoff das H:C-Atomverhältnis von >1,23 besitzt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der ertragsarme Rußrohstoff das Gas bei Raumtemperatur und Druck ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zurückgewonnene Ruß ein Ruß der Qualität N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787 oder N990 ist.