DE1910125B2

DE1910125B2 - Reaktor zur Herstellung von Furnaceruß

Info

Publication number: DE1910125B2
Application number: DE19691910125
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Chem. Dr. Jaeger; Gerhard Dipl.-Chem. Dr. Kuehner; Heinrich Dipl.-Ing. Sauer
Original assignee: Deutsche Gold und Silber Scheideanstalt
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1969-02-28
Filing date: 1969-02-28
Publication date: 1978-12-14
Also published as: DE1910125A1; DE1910125C3; FR2035741A5

Description

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Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen, einbautenlosen Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff zur Herstellung von Furnaceruß durch Thermolyse des Rußrohstoffs mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie.

Verfahren zur Herstellung von Furnaceruß sind im allgemeinen dadurch charakterisiert, daß man in eine heiße, aus Brenngas und überschüssiger Luft erzeugte Flamme einen als Rußrohstoff geeigneten Kohlenwasserstoff einbringt, wobei, bezogen auf den Gesamtkohlenstoff, der mit der Luft eingebrachte Sauerstoff im Unterschuß ist. Da das Brenngas zum Zwecke der Energieerzeugung eingesetzt wird, sollte es auch 5τ möglichst vollständig verbrennen und so den Hauptanteil der Luft verbrauchen, damit nicht unter Ausbeuteminderung mehr von dem Rußrohstoff verbrannt wird als zur Aufrechterhaltung des Rußbildungsprozesses notwendig ist. feo

Zu den bisher beschriebenen Verfahren wird eine gute Verbrennung des Brenngases in der Regel dadurch erzielt, daß man beispielsweise eine der Rußbildungszone vorgeschaltete Vorbrennkammer benutzt, die so ausgelegt ist, daß das Brenngas Gelenheit hat, mit der zugeführten Luft vollständig zu verbrennen, ehe es mit dem eingeführten Rußrohstoff in Berührung kommt. Als Nachteil ergibt sich hier eine schlechte Energieausnutzung, da ein Teil der Wärme über den gekühlten Rußrohstoff-Injektor bzw. über die Vorbrennkainmer selbst abgeführt wird, bevor eine Übertragung auf den Rußrohstoffstrahl stattfindet

Nach einem anderen bekannten Verfahren verwendet man einen Rußreaktor, der durch entsprechende Einbauten, beispielsweise eines sogenannten Restriktorringes, für eine intensive Durchmischung des Brenngases mit der Luft sorgt, wobei aber auch der Rußrohstoff mit dem Brenngas/Luft-Gemisch verwirbelt wird. Bei dieser Ausführungsform kommt daher der Rußrohstoff sehr früh mit dem Luftsauerstoff in Berührung, so daß infolge Verbrennung von Rußrohstoff die Ausbeute vermindert wird.

Die Erfindung betrifft einen rohrförmigen, einbauten-■osen Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff zur Herstellung von Furnaceruß durch Thermolyse des Rußrohstoffs mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie:. Dieser ist gekennzeichnet durch an der Stirnseite des Reaktors tangential angeordnete Einlasse für Verbrennungsluft, einen stirnseitig in der R.eaktQrmitte!a;chse angeordneten Rußrohstoffinjektor mit vornIlegender, einen kleinen Sprühwinkel von ca. 8° bestreichender bzw. stark bündelnder Mischdüse sowie einen um den Injektor angeordneten, mit senkrecht oder in einem Winkel von mehr als 30° zur Reaktorachse angestellten öffnungen verseher.an Mantel für das Brenngas.

Die obengenannten Nachteile der bekannten Verfahren lassen sich also vermeiden, wenn man unter strömungstechnischer Trennung von Wärmeerzeugungs- und Thermolysezone in dem von Einbauten freien Reaktionsrohr Rußrohstoff in eine durch die Wandungen des Reaktionsrohrs abgestützte und entlang seiner Achse strömende, durch Oxydation des Brenngases mittels Verbrennungsluft erzeugte Flammenhülle, unter feinster Zerstäubung in einem stark gebündelten Strahl einbringt

Man kann dabei das Brenngas in Einzelstrahlen aus Bohrungen im Mantelrohr austreter lassen.

Eine besonders wirksame Einflußnahme auf den Verfahrensablauf kann erreicht werden, wenn man das Brenngas in Form eines Gasfächers aus einem im Mantelrohr befindlichen, variablen Ringspalt austreten läßt. Durch den ringspaltförmigen Gasaustritt lassen sich nämlich nicht nur beliebige Gasmengen, sondern auch beliebige Gasdrucke vor der Austrittsöffnung des Brenngases in den Ofen einstellen. Gerade die letztgenannte Möglichkeit ist besonders wichtig, weil dadurch eine hohe Austrittsgeschwindigkeit und damit eine besonders rasche Vermischung von Brenngas und Verbrennungsluft erzielt werden kann.

In derselben Richtung vorteilhaft wirkt sich eine lavalartige Erweiterung der Gasaustrittsöffnungen aus. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der behandelten Verfahrensvariante läßt man daher das Brenngas unter Beschleunigung aus lavaldüsenähnlich sich erweiternden öffnungen im Mantelrohr, gegebenenfalls aus einem darin angeordneten Ringspalt, austreten. Um bei Einsatz geringer Brenngasmengen zu vermeiden, daß die Spaltbreite des Ringspalts zur Aufrechterhaitung der erforderlichen hohen Gasaustrittsgeschwindigkeit zu eng gestellt werden muß, kann man dem Brenngas vorteilhafterweise vor dessen Austritt in den Reaktor Verbrennungsluft zumischen.

Man läßt also in dem Reaktionsrohr mit glattem Innenmantel das Brenngas in einer äußeren Hülle mit dem Luftsauerstoff verbrennen, die sich entlang der

Ofenachse rund um den eintretenden Rußrohstoff bewegt Dadurch erhält das Brenngas ein Überangebot an Luftsauerstoff, kann also vollständig verbrennen, während gleichzeitig die Übertragung der Wärmeenergie auf den Rußrohstoff erfolgt

Eine wesentliche Voraussetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Rußrohstoff in möglichst feiner Verteilung in den Ofen gebracht wird, wobei der feinzerstäubte Strahl zusätzlich so stark gebündelt sein ^rollte, daß eine vorzeitige Vermischung der heißen Flammenhülle mit dem Rußrohstoff bzw. dessen Folgeprodukten vermieden wird.

Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei den bisher bekannten Verfahren durchwegs Zerstäubervorrichtungen mit unzulänglicher Dispersionswirkung Verwendung fanden. Dieser Mangel mußte durch Einbauten im Rußofen, welche die Verwirbelung fördern, wieder ausgeglichen werden, womit jedoch zwangsläufig der erwähnte Nachteil verschlechterter Ausbeute verknüpft war. Demgegenüber hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zerstäubung des Rußrohstoffes einen Injekter mit vornliegender Mischdüse zu verwenden, wif- er in der deutschen Patentanmeldung P 16 25 206.5 beschrieben ist.

Ein derartiger Brenner weist an einem Ende ein mit einer Düse versehenes und zu dieser hin sich verengendes Mantelrohr für das Zerstäubergas und ein im Mantelrohr angeordnetes und innerhalb desselben endigendes Rußrohstoff-Zufuhrrohr auf, wobei der Abstand der beiden Rohrenden in axialer Richtung maximal das Zehnfache des Innendurchmessers des Mantelrohrs beträgt und nach vorteilhaften Ausführungsformen das Rußrohstoff-Zufuhrrohr relativ zum Mantelrohr in der Längsachse verschiebbar ist und im Bereich der Verengung des Mantelrohres zur Düse hin mündet, während die Injektordüse eine zylindrische, venturi- oder lavaldüsenförmige Bohrung hat, die wesentlich enger als das Mantelrohr ist.

Die gefundene definierte Verbrennungsführung des Brenngases ur Erzielung optimaler Ausbeuten ist von der Erfüllung zweier Voraussetzungen abhängig: Das Brenngas muß einerseits möglichst rasch und intensiv mit dem Sauerstoff der Verbrennungsluft vermischt werden, so daß vollständige Verbrennung erfolgen kann, bevor es mit dem Rußrohstoff in Berührung kommt. Andererseits muß die bei dei Verbrennung frei werdende Energie möglichst ohne größere Verluste auf den feinverdüsten Rußrohstoffstrahl übertragen werden, wobei die Wärmestrahlung eine wichtige Rolle spielt. Das bedeutet, daß Jie räumliche Anordnung von Gasverbrennungs- und Rußbildungszone von außerordentlicher 3edeutung ist, wenn man die Rußausbeute über den Wert hinaus steigern will, der bei starker Durchmischung aller Komponenten erzielt wird.

Zur Herstellung von Furnace-Ruß ist das Verfahrensprinzip der Thermolyse von Rußrohstoff mittels Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie bereits mehrfach angewendet worden (DT-AS 12 00 983 und US-PS 32 22 131).

Die Verwendung von Zweistoff-Injektoren bei rohrförmigen, einbautenlosen Furnace-Ruß-Reaktoren ist zudem aus der GB-PS 8 14 095 bekannt gewesen. Diese Patentschrift zeigt in Fig. 1 und 3 einen mit einer vor der Injektormündung angeordneten Drossel versehenen Reaktor, welcher an der Stirnseite tangential angeordnete Einlasse für Verbrennungsluft, den stirnseitig in der Reaktormittela.hse angeordneten Zweistoff-Injektor, sowie einen um den Injektor angeordneten, mit Öffnungen versehenen Mantel für das Brenngas sowie zusätzliche, in der Reaktorstirnseile um den Injektor herum angeordnete und zum Rußrohstoffaustritt zielende Brenngasdüsen aufweist. Aufgabe und Funktion dieses Reaktors stehen in vollständigem Gegensatz zur Aufgabe und Funktion des erfindungsgemäßen Reaktors, Wärmeerzeugungs- und Thermolysezone im Reaktor auf eine möglichst lange Strecke

ίο getrennt zu halten, denn die zusätzlichen, zur Reaktorachse angestellten Brenngasdüsen führen in Verbindung mit der Drossel zu einer starken Turbulenz an der Injektormündung und fördern eine sofortige innige Vermischung von Luft, Brenngas und Rußrohstoff. Zwar

Ii werden mit dieser Anordnung unerwünschte Pulsationen vermieden, doch können sich die mit vorliegender Erfindung erzielbaren Vorteile nicht einstellen.

Die GB-PS 7 43 879 beschreibt einen Rußreaktor mit einer zylindrischen ersten Reaktionskammer größeren Querschnitts, an die sich über ein konisches Verbindungsstück eine zweite zylindrische ^eaktionskammer kleineren Querschnitts anschließt An der ^*'¹·"""¹"^ Aa^ ersten Kammer ist ein in geringem Abstand von ihrem Mantel und vor einem Ringspalt für den Eintritt kreisender Verbrennungsluft verlaufender ringförmiger Verteiler für Brenngas angeordnet. Ein Zweisioff-Injektor für den Rußrohstoff sitzt in der Mittelachse des Reaktors und endigt etwa in der Ebene des Brenngas-Verteilerrings. Es erfolgt turbulente Verbrennung in der

m ersten Kammer; das Reaktionsgemisch wird sodann durch den Konus in die zweite Kammer kleineren Durchmessers gedrückt. Aufgabe und Funktion des bekannten Reaktors stehen daher in vollständigem Gegensatz zum Erfindungsgegensiand, welcher eine

3) Trennung einer Thermolysezone von einer sie ringförmig umgebenden Wärmeerzeugungszone über eine möglichst lange Strecke eines verengungsfreien Reaktorrohres erlaubt.

Die GB-PS 7 78 207 betrifft ein Verfahrt η zur gleichzeitigen Erzeugung von Ruß und Synthesegas, bei dem ein Rußrohstoffnebel von reinem Sauerstoff umhüllt wird und durch teilweise Verbrennung dieses Rohstoffs Ruß und sog. »Tailgas« gebildet werden, welch letzteres als den Sauerstoffstrom umhüllender j Mantel teilrezykliert wird. Aufgabenstellung und Funktion ist hier ebenfalls anders gelagert als beim Erfindungsgegenstand, weil zur Wärmeerzeugung partielle Verbrennung des zu thermolysierenden Rußrohstoffs herangezogen wird, was beim Erfindungsgegenstand absichtlich vermieden wird.

Die US-PS 32 56 066 und die ihr entsprechende GB-PS 10 68 178 beschreibt einen Rußreaktor mit einem rohrförmigen, einbautenfreien Reaktionsraum, der sich stirnseitig zu einem mit Lufteinlaßschlitz

v'i versehenen Konus erweitert. Reaktionsrohr und Konus werden von einen geschlossenen Manie¹., der zu Luftzufuhr und -vorwärmung dient, umgeben. Stirnseitig ist in der Reaktormittelachse eine Brenner/Zerstäubervorrichtung montiert, welche radiale Brenngasaus-

bo tritte innerhalb ues Konus aufweist und deren Rußrohstoff Zerstäuberdüse knapp in das Reaktionsrohr hineinreicht. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Reaktor verleiht die konische Vorkammer dem rotierenden Luft/Brenngas-Gemisch eine Spiralbewe-

ήί gung, welche eine unmittelbare Durchdringung des Rußrohstoffsprühkegds mit dem genannten, zur Wärmeerzeugung dienenden Gasgemisch verursacht. Eine Trennung von Wärmeerzeugungs- und Thermolysezone

ist hier nicht verwirklicht.

Das mit der erfindungsgemäßen Apparatur durchführbare Verfahren hat gegenüber den bisher bekannten Verfahren folgende Vorteile:

1. Durch die Konzentrierung von Brenngas und Verbrennungsluft auf den Bereich der Reaktorwandung kommt es zu einer sehr schnellen und vollständigen Verbrennung des Brenngases, da ja der Sauerstoff der Verbrennungsluft gegenüber dem Brenngas im Überschuß vorhanden ist. Sauerstoff wirkt also auf den Rußrohstoff erst ein, nachdem der zur Verbrennung des Brenngases benötigte Sauerstoffanteil vollständig verbraucht ist.

2. Bei der Verbrennung bildet sich neben Wasserdampf vor allem CO₂, d. h. energiemäßig betrachtet, wird das Brenngas vollkommen ausgenutzt. Der Vorteil wird besonders deutlich, wenn man einen Vergleich mit einem Reaktor durchführt, bei dem durch eine Einschnürung vor der Ebene der Rußrohstoffinjektormündung eine starke Verwirbelung hervorgerufen wird: Hier kommt der Luftsauerstoff mit einem Überangebot von Kohlenstoff und Wasserstoff des Brenngas/Rußrohstoff-Gemisches in Berührung, so daß jetzt die energieärmere CO-Bildung bevorzugt ist. Als Erläuterung dienen die im folgenden aufgeführten Bildungsreaktionen aus den Elementen:

C + O₂ - CO₂ + 94 030 kcal
2 C + O₂ - 2 CO + 52 800 kcal

3. Durch die gezielte Verbrennungsführung läßt sich nicht nur ein vollständigerer Ausbrand des Brenngases und damit auch eine günstige Energiebilanz erzielen, sondern — da man ein vorzeitiges Zusammentreten der heißen Flammengase mit dem Rußrohstoff verhindert — auch die Ausbeute erhöhen. Da durch die bessere Energieausnutzung die Temperaturen im Reaktor ansteigen, kann die Ausbeutesteigerung durch Erhöhung der Rußrohstoffmenge oder durch Herabsetzen der Verbrennungsluftmenge hervorgerufen werden.

4. Energieverluste werden ebenfalls weitgehend vermieden, da hier eine optimale Übertragung der Energie möglich ist. Verbrennungs- und Rußbil- ^4l dungszone sind hier, im Gegensatz zu Verfahren, welche mit einer Vorbrennkammer arbeiten, nicht räumlich hintereinander angeordnet.

Die erzielte weitgehende strömungstechnische Tren- in nung der Zone der Wärmeenergieerzeugung und der Zone der Rußrohstofcrackung erlaubt es, die Bildung von Kohlenoxid in den Reaktionsprodukten zurückzudrängen und dadurch eine wertvolle Erhöhung der Rußausbeute zu erhalten, da Kohlenstoff, der nicht in Form von Verbrennungsprodukten den Rußofen verläßt in jedem Fall als zusätzliche Rußmenge in Erscheinung tritt Daneben gestattet die Verwendung einbautenfreier Reaktoren eine beachtliche Steigerung der Durchsatzmengen.

Darüber hinaus kann die in der Zeiteinheit hergestell te Rußmenge durch die bessere Ausnutzung der Brenngasenergie im Vergleich zu bekannten Verfahren erheblich erhöht werden, indem bei gleichbleibender Brenngas- und Luftmengen wesentlich mehr Rußroh stoff eingesetzt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eine; Verfahrensschemas und Versuchsbeispielen näher be schrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Strömung der Reaktionsteilnehmer be Verwendung des erfindungsgemäßen Reaktors mi Brenner/Injektor-Kombination,

Fig. la eine aufgeschnittene Seitenansicht eines ir der ersten Verfahrensvariante verwendeten Brenner; mit Ringspalt für den Austritt des Brenngases.

Nach F i g. 1 tritt die Verbrennungsluft bei I tangential in den Ofen ein und strömt dann schrauben förmig, abgestützt durch die Innenwandungen de; Reaktionsrohrs 2, vorwärts. Das Brenngas tritt au; einem am Brennerkopf radial angeordneten, variabler Ringspalt 3 (vgl. auch Fig. la) senkrecht zur Reaktor längsachse aus, strömt in die rotierende Verbrennungs iufi ein und tnischi sich iuii dieser. Bei gezüriueiem Gier bildet sich um den von der Zerstäuberdüse des Injektor! in kleinem Sprühwinkel (ca. 8°) ausgehenden Rußroh stoffsprühkegel eine rotierende Flammenhülle aus welche den zersprühten Rußrohstoff überwiegenc durch Wärmestrahlung crackt. Zum Abschrecken dei ausreagierten Ofenbeschickung ist bei 4 ein Quencl vorgesehen.

Aus den in der nachfolgenden Tabelle enthaltener Versuchsbc.jpielen gehen die erfindungsgemäß irr Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erzielbarer Vorteile hervor.

Die Tabelle enthält >:wei Vergleich^beispiele, welche sich auf die Herstellung des Degussa-Rußtypes Co rax^s6 erstrecken. Beispiel 1 betrifft dabei die bekannte Arbeitsweise unter Verwendung eines Ofens mi Restriktorring und herkömmlichem Brenner. Beispiel ; gilt für das Arbeiten im erfindungsgemäßen Reaktor.

Tabelle

	Corax⁸ 6	2
	Beispiel Nr. 1	32,5
Menge Rußöl II (kg/h)	25,0	10,0
Brenngasmenge	10,0
(Stadtgas 4500 cal/Nm³)		1,5
Gasdruck am Brenner (atü)	0,2	96,0
Verbrennungsluftmenge (NmVh)	96,0	7,0
Zerstäuberluftmenge (NmVh)	7,0	18,0
KCl-Menge (mg/kg Öl)	18,0	17,1
Erzeugte Rußmenge (kg/h)	IU	52,5
Ausbeute (bezogen auf ölmenge)	443
Eigenschaften:		101
Jodoberfläche (m²/g)	99	1,14
DBP-Adsorption (ml/g)	1,15	138
*Modul 300% (kg/cm)**	139	99
Relat Abriebwiderstand	*100)**

*) Der relat Abriebwiderstand in Beispiel 1 ist gleich 100% gesetzt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rohrförmigen einbautenloser Reaktor mit Zweistoff-Injektor für den Rußrohstoff zur Herstellung von Furnaceruß durch Thermolyse des Rußrohstoffs mittels durch Verbrennung eines Brenngases erzeugter Wärmeenergie, gekennzeichnet durch an der Stirnseite des Reaktors (2) tangential angeordnete Einlasse für Verbren- ι ο nungsluft (1), einen stirnseitig in der Reaktormittelachse angeordneten Rußrohstoffinjektor mit vornliegender, einen kleinen Sprühwinkel von ca. 8° bestreichender bzw. stark bündelnder Mischdüse sowie einen um den Injektor angeordneten, mit senkrecht oder in einem Winkel von mehr als 30° zur Reaktorachse angestellten öffnungen (3) versehenen Mantel für das Brenngas.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelrohröffnungen (3) als Einzelbohrungen ausgebildet sind.

3. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelrohröffnungen (3) als variabler Ringspalt ausgebildet ist

4. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mantelrohröffnungen und gegebenenfalls der variable Ringspalt lavaldüsenähnlich erweitert

5. Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweistoff-Injektor mit vornliegender Mischdüse an einem Ende ein mit einer Düse versehenes und zu dieser hin sich verengendes Mantelrohr für das Zerstäubergas und ein im Mantelrohr "angeorcnetes und innerhalb desselben endendes Rußrohstoff-Zufuhrrohr aufweist, wobei der Abstand der beiden Rohrenden in axialer Richtung maximal das Zehnfache des Innendurchmessers des Mantelrohrs ist.