Die vorliegende Erfindung betrifft neue Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Rußen.

Ruße können als Pigmentfarbstoffe, Füllmittel, Verstärkungsstoffe und für vielfältige andere Anwendungen genutzt werden und werden weitgehend als Füllmittel und verstärkende Pigmentfarbstoffe bei der Zubereitung und Vorbereitung von Gummimischungen und Kunststoffmischungen genutzt. Ruße werden im Allgemeinen auf der Basis ihrer Eigenschaften einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, ihrer Oberflächeninhalte, der Oberflächenchemie, Anhäufungsgrößen und Partikelgrößen charakterisiert. Die Eigenschaften von Rußen werden analytisch durch an sich bekannte Tests, die den Jodzahl-Oberflächeninhalt (I₂ Nr.), den Stickstoffadsorption-Oberflächeninhalt (N₂ SA), die Dibutylphthalat-Adsorption (DBP), die Dibutylphthalat-Absorption von grob gemahlenem Ruß (CDBP), den Cetrimid-Absorptionswert (CTAB) und den Aufhellungswert (TINT) umfassen, bestimmt.

Ruße können in einem Reaktorofen hergestellt werden, indem ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial mit heißen Verbrennungsgasen pyrolysiert wird, um Verbrennungsprodukte, die Rußteilchen enthalten, zu erzeugen. Im Allgemeinen werden vielfältige Verfahren zur Herstellung von Rußen verwendet.

In einem Typ eines Ruß-Reaktors wie zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 3 401 020 für Kester et al. oder in dem US-Patent Nr. 2 785 964 für Pollock, im Folgenden „Kester" bzw. „Pollock", dargestellt, wird ein vorzugsweise kohlenwasserstoffartiger Brennstoff und ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, in eine erste Zone eingespritzt und zur Reaktion gebracht, um heiße Verbrennungsgase zu bilden. In die erste Zone wird ebenfalls Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial, entweder gasförmig, dampfförmig oder in flüssiger Form, eingespritzt, worauf eine Pyrolyse des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials mit einer anschließenden Bildung von Ruß beginnt. In diesem Beispiel bezieht sich Pyrolyse auf den thermischen Abbau eines Kohlenwasserstoffs. Das sich ergebende Verbrennungsgasgemisch, in dem eine Pyrolyse auftritt, bewegt sich anschließend in eine Reaktionszone, in der der Abschluss der rußbildenden Reaktionen stattfindet.

Eine weitere Art der Prozessausrüstung, die zur Herstellung von Rußen eingesetzt wird, wird als modularer Reaktor oder Stufenreaktor bezeichnet. Modulare (Stufen-)Ruß-Reaktoröfen sind allgemein in dem US-Patent, Wiederausgabe-Nr. 28 974 und in dem US-Patent Nr. 3 922 355 beschrieben, deren Veröffentlichungen durch Verweis hier einbezogen sind.

Bei bestimmten Herstellungsverfahren für Ruß wird ein Teil des in den Prozess eingeleiteten gesamten Oxidationsmittels nach dem Punkt der Ausgangsmaterial-Einspritzung eingeleitet. Das US-Patent Nr. 4 105 750 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Rußen mit einem geringeren Gefüge wie es sich durch niedrigere Dibutylphthalat (DBP)-Absorptionszahlen für eine vorgegebene Partikelgröße zeigt. In dem offen gelegten Verfahren wird ein Teil des in den Prozess eingeleiteten Oxidationsmittels an einer Stelle nach dem Punkt der Ausgangsmaterial-Einspritzung eingespritzt.

WO 93/18094 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Rußen, das so charakterisiert ist, dass dem Reaktor ein sekundärer Oxidationsmittelstrom hinzugefügt wird, so dass dieser sekundäre Oxidationsmittelstrom die Bildung von Rußpartikeln und Anhäufungen in dem Reaktor nicht beeinflusst. In den offen gelegten Beispielen waren die DBP-Absorptionszahlen des Rußes, der durch die Nutzung des sekundären Oxidationsmittelstroms erzeugt wurde, niedriger als die DBP-Absorptionszahlen des Rußes, der unter Nutzung der gleichen Reaktionsbedingungen bei fehlendem sekundären Oxidationsmittelstrom erzeugt wurde.

Andere Patente wie zum Beispiel die US-Patente Nr. 3 607 058, 3 761 577 und 3 887 690 beschreiben ebenfalls die Verfahren zur Herstellung von Ruß.

Die Temperaturen in einem Ruß-Reaktor können zwischen 2400°F (1315°C) und 3000°F (1648°C) oder höher liegen. Die Einspritzung eines zusätzlichen Oxidationsmittels und/oder von sekundärer Luft in den Reaktionsstrom, zum Beispiel in der Weise wie sie in den oben erwähnten Patenten beschrieben ist, wird die Temperatur des Reaktionsstroms normalerweise erhöhen und kann die Temperatur des Reaktionsstroms in dem Bereich in der Nähe des Punktes der Lufteinleitung auf über 3000°F (1648°C) erhöhen. Diese extrem hohe Temperatur kann eine Beschädigung an der feuerfesten Auskleidung des Reaktors verursachen und/oder die Lebensdauer der feuerfesten Auskleidung des Reaktors insbesondere in der Nähe des Bereiches der zusätzlichen Einspritzung von Oxidationsmittel verkürzen.

Folglich wäre es vorteilhaft, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Hinzufügen eines zusätzlichen Oxidationsmittels und/oder von Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluidströmen in das ausströmende Medium zu haben, welche die Probleme der feuerfesten Auskleidung in dem Reaktor möglichst gering halten würden.

Es wäre außerdem vorteilhaft, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Rußen zu haben, bei der die Einleitung eines zusätzlichen Oxidationsmittels und/oder von Kohlenwasserstoff enthaltenden Fluidströmen in das ausströmende Medium das Gefüge der durch das Verfahren hergestellten Ruße erhöhen würde, wie es durch die Ruße mit einem erhöhten DBP-Absorptionswert für einen gegebenen Oberflächeninhalt wäre.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung erzielen die oben erwähnten Vorteile zusätzlich zu anderen Vorteilen, die sich dem gewöhnlichen Fachmann aus der folgenden Beschreibung erschließen werden.

Obwohl allgemeine Typen von Ruß-Reaktionsöfen und Verfahren beschrieben worden sind, sollte verständlich werden, dass die vorliegende Erfindung in jedem anderen Ruß-Reaktor oder Verfahren eingesetzt werden kann, bei dem Ruß durch Pyrolyse und/oder unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen hergestellt wird.

Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren und eine Vorrichtung bereit, die besonders gut zur Verwendung bei der Herstellung von Rußen geeignet sind.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Umhüllen eines gasförmigen Stroms bereit, wie es in den Ansprüchen 1 und 5 definiert ist. Das Verfahren zum Umhüllen eines gasförmigen Stroms kann das Einleiten eines Fluidstroms um den äußeren Umfang des gasförmigen Stroms herum umfassen. Die Vorrichtung zum Umhüllen eines gasförmigen Stroms kann ein hohles Gefäß, einen Einlass zum Einleiten des Fluidstroms in das Innere des Gefäßes und einen Auslass, damit der Fluidstrom aus dem Gefäß austreten kann, aufweisen. Der Auslass kann ein Ringrohr oder eine Vielzahl von Düsen aufweisen. Vorzugsweise ist das Gefäß ringförmig, d.h. ist in der Form eines Rings, obwohl andere Formen möglich sind. Das Ringrohr oder die Auslassdüsen können um den Umfang des Gefäßes herum angeordnet sein.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Rußen bereit, das die Umhüllung des den Reaktor durchströmenden gasförmigen Stroms mit einem Fluidstrom umfasst. Der gasförmige Strom in einem Reaktor kann einen Verbrennungsgasstrom und/oder den Strom eines ausfließenden Mediums, der durch die Einleitung eines Ruß ergebenden Ausgangsmaterials in den Verbrennungsgasstrom gebildet wird, umfassen. Die Umhüllung findet nach einer Einleitung von Ausgangsmaterial in den Verbrennungsgasstrom statt. Der Fluidstrom umgibt vorzugsweise den äußeren Umfang eines Verbrennungsgasstroms und/oder ausströmenden Mediums, die den Fluidstrom zwischen dem Verbrennungsgasstrom und/oder dem ausströmenden Medium und einer Reaktorwand anordnen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung von Ruß das Einleiten eines Fluidstroms in einer axialer Richtung in einen Reaktor nach dem Punkt der Ausgangsmaterial-Einspritzung. Der Fluidstrom kann in der oben beschriebenen Art und Weise eingeleitet werden.

In dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann der Fluidstrom durch ein Ringrohr oder eine Vielzahl von Düsen in axialer Richtung hinzugefügt werden. Das Ringrohr zum Einleiten des Fluidstroms ist konzentrisch um den Umfang eines Prozessstroms herum angeordnet. Die Vielzahl von Düsen kann in einem Ring oder in mehreren Ringen angeordnet sein. Die axiale Richtung bezieht sich auf eine Richtung parallel zu der Richtung des Stroms von Verbrennungsgasen durch den Reaktor. Für einen zylindrischen Reaktor ist die axiale Richtung im Allgemeinen parallel zu der Achse des Zylinders. Im Sinne des Verfahrens verwendet, bezieht sich ein „Strahl" auf einen kräftigen, genau festgelegten Fluidstrom, der aus einer Öffnung oder Düse austritt.

Diese Aspekte der vorliegenden Erfindung und die nachstehend erörterten Merkmale bewirken eine Einrichtung zum Umhüllen des Verbrennungsgasstroms und eines von der zweiten Stufe eines modularen Ruß-Reaktors austretenden Gemisches von Ruß-Ausgangsmaterial (ausströmendes Medium). In einer bevorzugten Ausführung nach der vorliegenden Erfindung wird allgemein bevorzugt, dass das Ringrohr oder die Düsen, durch die der Fluidstrom in den Reaktor eingeleitet wird, so angeordnet sind, dass sie den Austrittsstrom umgeben. Wie aus den angefügten Figuren ersichtlich wird, kann der Austrittsstrom durch die Einleitung des Fluidstroms um den Umfang des von der zweiten Stufe des Reaktors austretenden Gasstroms umgeben sein. Der in den Reaktor eingeleitete Fluidstrom kann genutzt werden, um den die zweite Stute verlassenden Austrittsstrom zumindest teilweise von den Wänden des Reaktors weg abzulenken. Auf diese Weise kann eine Beschädigung der feuerfesten Auskleidung der Reaktorstufe durch Wärme auf ein Mindestmaß zurückgeführt werden.

Insbesondere soll eine Wirkung des Fluidstroms dem entgegenwirken, dass sich der Austrittsstrom tangential nach außen in Richtung der Reaktorwände ausbreitet, wenn das ausströmende Medium in dem Reaktor nach unten fortschreitet. Folglich soll eine Funktion des in den Reaktor eingeleiteten Fluidstroms sein, den Austrittsstrom aufzunehmen oder zu umhüllen oder umzuleiten, so dass die Temperaturen, denen die Reaktorwände ausgesetzt sind, reduziert werden. Des Weiteren erzeugt eine Einleitung des Fluidstroms in der durch die vorliegende Erfindung in Erwägung gezogenen Art und Weise eine gleichmäßigere Mischung als andere Verfahren, so dass die hohen örtlichen Temperaturen minimiert werden.

In einer weiteren Ausführung stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Einleiten eines Fluidstroms in einem Ruß-Reaktor bereit. Eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Einleiten eines Fluidstroms in einen Ruß-Reaktor umfasst ein hohles Gefäß, einen Einlass zum Einleiten des Fluidstroms in das Innere des Gefäßes und einen Auslass für den Fluidstrom, um das Gefäß zu verlassen. Geeignete Auslässe umfassen ein Ringrohr, eine Düse, eine Vielzahl von Düsen oder Mischungen davon. Vorzugsweise wird einen Ringrohr oder eine Vielzahl von Düsen als Auslässe genutzt, damit der Fluidstrom von dem Gefäß in den Reaktor austreten kann. Das Gefäß kann im Allgemeinen ringförmig sein (in Form eines Rings) oder andere Formen aufweisen. Das Ringrohr kann konzentrisch an dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser des Ringes angeordnet sein, und/oder die Austrittsdüsen können über dem Umfang des Rings angeordnet sein. In einer anderen möglichen Ausführung können die Austrittsdüsen in konzentrischen Kreisen von einem inneren Bereich zum äußeren Umfang des Gefäßes angeordnet sein. Der Einlass für den Fluidstrom kann radial oder im Wesentlichen parallel zum Auslass (Ringrohr oder Düsen) angeordnet sein, um einen austretenden Fluidstrom ohne signifikante Wirbel zu erzeugen. Alternativ dazu kann der Einlass für den Fluidstrom tangential oder im Wesentlichen tangential zu dem Auslass (Ringrohr oder Düsen) angeordnet sein, so dass der austretende Fluidstrom eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente enthält, die ausreichend ist, um Fluidwirbel zu erzeugen.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird praktisch ausgeführt mit der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.

Eine bevorzugte Vorrichtung ist ein modulare Reaktor mit einer ersten Stufe oder Verbrennungsstufe, wobei ein Oxidationsmittel mit einem Brennstoff in Kontakt gebracht wird, um einen Strom von Verbrennungsgasen bei einer Temperatur zu erzeugen, die ausreichend ist, um ein Ruß ergebendes Ausgangsmaterial zu pyrolysieren, mit einer zweiten Einleitungsstufe für Ausgangsmaterial, bei der ein Ruß ergebendes Ausgangsmaterial in die Verbrennungsgase eingeleitet wird und eine dritte Stufe oder Reaktionsstufe, bei der das Gemisch aus Verbrennungsgasen und Ausgangsmaterial zur Reaktion gebracht wird, um Ruß zu erzeugen, wobei der Reaktor des Weiteren eine Vorrichtung zum Einleiten eines Fluidstroms in die zweite oder dritte Stufe des Reaktors nach dem Punkt der Ausgangsmaterial-Einleitung aufweist.

Ein Vorteil nach der vorliegenden Erfindung ist, dass das Verfahren zur Einleitung des Fluidstroms den normalerweise mit der Einleitung von sekundären Fluidströmen in einen Reaktor verbundenen Verschleiß der feuerfesten Auskleidung auf ein Mindestmaß zurückführen wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Verfahren zur Herstellung von Rußen nach der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann, um Ruße mit einem erhöhten Gefüge herzustellen wie es sich durch erhöhte DBP-Absorptionswerte für einen gegebenen Oberflächeninhalt zeigt.

Andere Vorteile nach der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung der Erfindung deutlich.

1 stellt eine Querschnittsansicht eines Teils eines modularen Ruß-Reaktionsofens dar, die einige Aspekte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;

2a und 2b stellen Ausführungen einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Einleiten eines Fluidstroms in einen Ruß-Reaktor dar;

3 ist eine Querschnittsansicht eines Teils des modularen Ruß-Reaktionsofens, der in den nachstehend beschriebenen Beispielen verwendet wurde.

Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren zum Umhüllen eines Gasstromes in einem Reaktor bereit, wobei die Verfahren das Einleiten eines Fluidstroms um den äußeren Umfang des Gasstroms herum umfassen. In einem Ruß-Herstellungsprozess wird der Fluidstrom um den äußeren Umfang des Austrittsstroms herum eingeleitet. Der Fluidstrom wird in einer axialen Richtung eingeleitet, wobei sich die axiale Richtung auf eine Richtung im Wesentlichen parallel zu der Gesamtrichtung der Strömung des Gasstroms bezieht. Der Fluidstrom kann im Gleichstrom zur Richtung der Strömung des Gasstroms oder in Gegenstrom-Richtung eingeleitet werden. Vorzugsweise wird der Fluidstrom in einer Gegenstrom-Richtung eingeleitet.

Die vorliegende Erfindung stellt außerdem Verfahren zur Herstellung von Ruß bereit, die das Einleiten eines Fluidstroms in einen gasförmigen Prozessstrom umfassen, um den gasförmigen Prozessstrom zu umhüllen.

Das Verfahren kann des Weiteren das Einleiten des Fluidstroms in einer axialen Richtung umfassen, wobei sich die axiale Richtung auf eine Richtung bezieht, die im Wesentlichen parallel zur Gesamtrichtung der Strömung eines Verbrennungsgasstroms/ausströmendes Medium in dem Reaktor bezeichnet. Das Fluid kann mit oder ohne Wirbel im Gleichstrom oder Gegenstrom eingeleitet werden.

In einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ist der eingeleitete Fluidstrom vorzugsweise ein gasförmiger Strom mit mindestens folgenden Bestandteilen: ein Oxidationsmittel, Stickstoff, Wasserstoff, ein kohlenwasserstoffartiges Material oder Mischungen davon. Ein hier verwendetes „Oxidationsmittel" bezieht sich auf eine Zusammensetzung mit Sauerstoff wie atmosphärische Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft, Verbrennungsprodukte von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen und Luft und/oder Sauerstoff oder Mischungen dieser Ströme. Ein wie hier verwendetes „kohlenwasserstoffartiges" Material bezieht sich auf eine Zusammensetzung mit einem Kohlenwasserstoff wie zum Beispiel einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff, einen Gasstrom mit unvollständig verbranntem Kohlenwasserstoff-Brennstoff wie der Verbrennungsgasstrom aus dem Ruß-Herstellungsprozess oder Mischungen dieser Ströme.

Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung und zum axialen Einleiten eines Fluidstroms bereit. Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfasst ein hohles Gefäß, vorzugsweise ein hohler Ring, einen Einlass oder Einlässe zum Einleiten eines Fluidstroms in das Innere des Gefäßes und mindestens einen Auslass, damit der Fluidstrom aus dem Gefäß austreten kann. Der Auslass kann ein Ringrohr oder eine Vielzahl von Ringrohren enthalten. Der Auslass kann außerdem eine Düse oder eine Vielzahl von Düsen umfassen.

Der Einlass kann radial oder in einer axialen Richtung im Wesentlichen parallel zu der axialen Richtung des Auslasses angeordnet sein, um einen Austrittsstrom ohne signifikante Wirbel zu erzeugen. Alternativ dazu kann der Einlass in einer zur axialen Richtung des Auslasses tangentialen Richtung angeordnet sein, um einen Austrittstrom mit Wirbel zu erzeugen. Weitere Einzelheiten, die das Verfahren und die Vorrichtung zum Einleiten eines Fluidstroms in einen Ruß-Reaktor betreffen, werden nachstehend mit Bezug auf Verfahren und Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Ruß erläutert.

Einer Ausführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung entsprechend wird ein Fluidstrom, der ein Oxidationsmittel, Stickstoff, Wasserstoff, ein kohlenwasserstoffartiges Material oder Gemische davon enthält, in das ausströmende Medium, das durch einen Ruß-Reaktor strömt, in axialer Richtung eingeleitet. In einer Ausführung enthält der Fluidstrom atmosphärische Luft mit oder ohne Sauerstoffanreicherung. In einer anderen Ausführung enthält der Fluidstrom einen Industriegasstrom mit Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und/oder Dampf. Ein Beispiel eines Industriegasstroms ist Restgas aus einem Herstellungsprozess von Ruß.

In einer Ausführung umfasst das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Ruß:

• a) zur Reaktion bringen von Oxidationsmittel, Primärbrennstoff und Ruß-Ausgangsmaterial in einem Reaktor, um ein ausströmendes Medium zu bilden, das aus Ruß und Verbrennungsgasen besteht;
• b) Einspritzen eines Fluidstroms in ausströmendes Medium in einer Richtung axial zur Richtung des Durchflusses des ausströmenden Mediums durch den Reaktor;
• c) Durchleiten des sich ergebenden, ausströmenden Mediums durch den Reaktor; und
• d) Kühlen, Trennen und Wiedergewinnen des Ruß-Produktes;

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird in einem modularen Ruß-Reaktor nach Anspruch 1, der mindestens drei Stufen enthält, durchgeführt. Mit Bezug auf diesen Reaktortyp umfasst eine Ausführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Rußen:

Erzeugen eines Stroms von Verbrennungsgasen in einer ersten Stufe des Reaktors mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend ist, um die nachfolgenden Stufen des Reaktors zu durchströmen und einer Temperatur, die ausreichend ist, um Ruß ergebendes Ausgangsmaterial zu pyrolysieren;

Einspritzen eines Ruß ergebenden Ausgangsmaterials in das Verbrennungsgas in einer zweiten Stufe des Reaktors, um ein ausströmendes Medium zu erzeugen, das aus Ruß und Verbrennungsgasen besteht;

Einleiten eines Fluidstroms in einer Richtung axial zum Durchfluss des ausströmenden Mediums nach Einspritzung eines Ruß ergebenden Ausgangsmaterials, wobei das sich ergebende ausströmende Medium die dritte Stufe des Reaktors durchströmt; und

Kühlen, Trennen und Wiedergewinnen des Ruß-Produkts.

Der Fluidstrom kann ein Oxidationsmittel, Stickstoff, Wasserstoff ein kohlenwasserstoffartiges Material und Gemische davon enthalten. Die Einleitung des Fluidstroms führt vorzugsweise zur Herstellung von Rußen, die ein erhöhtes Gefüge aufweisen, wie es sich durch einen erhöhten DBP-Absorptionswert zeigt, für einen Oberflächeninhalt mit gegebener Jodzahl (I₂-Nr.) im Vergleich zu den Rußen, die unter Nutzung ähnlicher Verfahrensbedingungen bei fehlender Fluidstrom-Einleitung erzeugt werden.

In einem „mit Stufen versehenen" oder modularen Reaktor wird eine Flüssigkeit oder ein gasförmiger Brennstoff mit einem Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, in einer ersten Stufe zur Reaktion gebracht, um heiße Verbrennungsgase zu bilden. Diese Stufe wurde die „Brennerstufe", die Verbrennungsstufe und/oder die Verbrennungszone des Reaktors bezeichnet.

Die heißen Verbrennungsgase durchlaufen die erste Stufe stromabwärts in zusätzliche Reaktorstufen hinein. Die zusätzlichen Reaktorstufen enthalten mindestens eine Einspritzstufe für Ausgangsmaterial und eine Reaktionsstufe. Die Einspritzstufe für Ausgangsmaterial befindet sich zwischen der ersten (oder Verbrennungs-)Stufe und der Reaktionsstufe und umfasst eine Verengung oder Zone mit eingeschränktem Durchmesser, der im Querschnitt kleiner als die Verbrennungsstufe oder die Reaktionsstufe ist. Die Zone mit eingeschränktem Durchmesser ist dem gewöhnlichen Fachmann auch als Übergangszone bekannt.

Bei der Herstellung von Rußen wird ein kohlenwasserstoffartiges Ausgangsmaterial an einem oder mehreren Punkten in die Strecke des heißen Verbrennungsgasstroms in der Ausgangsmaterial-Einspritzstufe eingespritzt. Das Ausgangsmaterial kann in die Strecke der heißen Verbrennungsgase vor der, nach der und/oder in die Zone eingeschränkten Durchmessers eingespritzt werden. Das kohlenwasserstoffartige Ausgangsmaterial kann Flüssigkeit, Gas oder Dampf sein und kann der gleiche Brennstoff, der verwendet wird, um den Verbrennungsgasstrom zu bilden, oder ein anderer sein. Im Allgemeinen ist das kohlenwasserstoffartige Ausgangsmaterial Kohlenwasserstoff-Öl oder Erdgas. Es sind jedoch andere kohlenwasserstoffartige Ausgangsmaterialien wie Acetylen bekannt.

Nach dem Punkt der Einleitung von Ausgangsmaterial wird dieses gemischt, pulverisiert und in den Verbrennungsgasstrom eingedampft. Das Gemisch von Verbrennungsgasen und verdampftem Ausgangsmaterial tritt anschließend in eine Stufe des Reaktors ein, die hier als Reaktionsstufe bezeichnet wird. Obwohl die Pyrolyse bei Einspritzung des Ausgangsmaterials in den Verbrennungsgasstrom beginnt, setzt sich die Umwandlung von verdampftem Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial zu primären Rußpartikeln und Anhäufungen in der Reaktionsstufe fort. Die Verweilzeit des Ausgangsmaterials, der Verbrennungsgase und Ruße in der Reaktionszone des Reaktors ist ausreichend, um die Bildung von Rußen zu ermöglichen. Das Gemisch von Verbrennungsgasen und Rußen in der Reaktionszone des Reaktors wird nachstehend in der Anmeldung durchweg als das ausströmende Medium bezeichnet. Nachdem die Ruße mit den gewünschten Eigenschaften gebildet sind, wird die Temperatur des ausströmenden Mediums abgesenkt, um die Hauptreaktionen zu unterbrechen. Diese Absenkung der Temperatur des ausströmenden Mediums zur Unterbrechung der Hauptreaktionen kann in jeder bekannten Weise wie zum Beispiel durch Einspritzen eines Löschfluides durch eine Löscheinrichtung in das ausströmende Medium realisiert werden. Wie es dem gewöhnlichen Fachmann allgemein bekannt ist, werden die Hauptreaktionen unterbrochen, wenn die gewünschten Ruße im Reaktor erzeugt worden sind, wie es durch eine Probennahme des Rußes und das Prüfen auf analytische Eigenschaften bestimmt wird. Nachdem die Reaktionen unterbrochen wurden und das ausströmende Medium durch beliebige bekannte Einrichtungen ausreichend abgekühlt ist, durchläuft das ausströmende Medium im Allgemeinen einen Beutelfilter oder ein anderes Trennsystem zum Sammeln von Ruß.

In beiden Typen von Prozessen und Reaktoren, die oben beschrieben worden, sowie in anderen im Allgemeinen bekannten Reaktoren und Prozessen befinden sich die heißen Verbrennungsgase auf einer Temperatur, die ausreichend ist, um Pyrolyse des in den Verbrennungsgasstrom eingeleiteten, kohlenwasserstoffartigen Ausgangsmaterials zu bewirken. Die Temperatur des Verbrennungsgasstroms vor einer Einleitung von Ruß ergebendem Ausgangsmaterial beträgt normalerweise mindestens 2400°F (1315°C). Nach der Einleitung des Ruß ergebenden Ausgangsmaterials wird sich die Temperatur des Prozessstroms erhöhen und kann 3000°F (1648°C) oder höher erreichen. Angesichts dieser Temperaturen und der durch den Herstellungsprozess von Ruß erzeugten Wärme können Reaktoren zur Ruß-Herstellung Auskleidungen enthalten, die aus feuerfesten Materialien hergestellt werden und in der Lage sind, hohen Temperaturen standzuhalten.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Rußen enthält eine Einrichtung zum Umhüllen des Austrittsstroms, wenn er mindestens einen Bereich des Reaktors durchströmt. Beispielhaft kann mit Bezug auf einen modularen Ruß-Reaktor das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung umfassen:

Erzeugen eines Stroms von Verbrennungsgasen in einer ersten Stufe des Reaktors mit einer Geschwindigkeit, die ausreichend ist, um nachfolgende Stufen des Reaktors zu durchströmen und einer Temperatur, die ausreichend ist, um ein Ruß ergebendes Ausgangsmaterial zu pyrolysieren;

Einspritzen eines Ruß ergebenden Ausgangsmaterials in den Verbrennungsgasstrom in einer zweiten Stufe des Reaktors, um ein ausströmendes Medium zu erzeugen, das aus Ruß und Verbrennungsgasen zusammengesetzt ist;

Umhüllen des Austrittsstroms, wenn der Austrittsstrom die zweite Stufe des Reaktors verlässt, wobei der umhüllte Austrittsstrom die dritte Stufe des Reaktors durchläuft; und

Kühlen, Trennen und Wiedergewinnen des Ruß-Produkts.

Der Schritt des Umhüllens des Austrittsstroms wird den Austrittsstrom vorzugsweise von den Wänden der dritten Stufe des Reaktors, zumindest an dem Punkt der anfänglichen Umhüllung, ablenken. Die Einrichtung zum Umhüllen des Austrittsstroms kann das Einleiten eines Fluidstroms in einer Richtung axial zu dem Durchfluss des ausströmenden Mediums enthalten, um den die zweite Stufe des Reaktors verlassenden Austrittsstrom zu umgeben.

In der 1 ist die Querschnittsansicht eines Reaktortyps dargestellt, bei dem einige Ausführungen des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung praktisch durchgeführt werden können. Wie verständlich werden wird, erfordert das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung keine Modifizierung des Ruß-Reaktors im Gegensatz zur Bereitstellung einer Einrichtung zum Einspritzen des Oxidationsmittel enthaltenden Stroms, und kann deshalb in anderen Typen von Ruß-Reaktoren, wie die im Abschnitt Hintergrund erörterten Typen, praktisch durchgeführt werden.

Die modulare Vorrichtung zur Herstellung von Ruß nach der vorliegenden Erfindung umfasst:

eine Verbrennungszone mit einem stromaufwärts und einem stromabwärts gelegenen Ende sowie mindestens einem Einlass, um die Einleitung eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels zu ermöglichen;

eine Zone mit konvergierendem Durchmesser, die ein stromaufwärts und ein stromabwärts gelegenes Ende aufweist und von dem stromaufwärts gelegenen Ende in Richtung des stromabwärts gelegenen Endes konvergiert, wobei das stromaufwärts gelegene Ende mit dem stromabwärts gelegenen Ende der Verbrennungszone verbunden ist;

eine Übergangszone mit einem stromaufwärts gelegenen Ende und einem stromabwärts gelegenen Ende, wobei das stromaufwärts gelegene Ende mit dem stromabwärts gelegenen Ende der Zone konvergierenden Durchmessers verbunden ist, wobei der Übergang mindestens eine Öffnung enthält, um die Einleitung eines Ausgangsmaterials zu ermöglichen;

eine Vorrichtung zum Einleiten eines Fluidstroms in den Reaktor in einer zum Durchfluss eines Prozessstroms in dem Reaktor axialen Richtung, wobei die Vorrichtung ein stromaufwärts und ein stromabwärts gelegenes Ende aufweist, das stromaufwärts gelegene Ende mit dem stromabwärts gelegenen Ende der Übergangszone verbunden ist;

eine Reaktionszone, die mit einer Zone erweiterten Durchmessers beginnt und ein stromaufwärts gelegenes Ende und ein stromabwärts gelegenes Ende aufweist, wobei das stromaufwärts gelegene Ende mit dem stromabwärts gelegenen Ende der Übergangszone oder -zonen verbunden ist;

eine Löschzone mit einem stromaufwärts und einem stromabwärts gelegenen Ende, wobei das stromaufwärts gelegene Ende mit dem stromabwärts gelegenen Ende der Reaktionszone verbunden ist und die Löschzone mindestens eine Öffnung enthält, um die Einleitung eines Löschfluides zu ermöglichen; und

eine Vorrichtung zum Trennen und Sammeln von Ruß, die mit dem stromabwärts gelegenen Ende der Löschzone oder -zonen verbunden ist.

Die Vorrichtung zum Einleiten eines Fluidstroms in den Reaktor in einer axialen Richtung kann ein hohles Gefäß, mindestens einen Einlass, vorzugsweise eine Vielzahl von Einlässen zum Einleiten eines Fluidstroms in das Innere des Gefäßes sowie einen Auslass umfassen, damit der Fluidstrom aus dem Gefäß austreten kann. Der Auslass kann ein Ringrohr, eine Vielzahl von Ringrohren, eine Düse oder eine Vielzahl von Düsen enthalten. Der Einlass (die Einlässe) des hohlen Gefäßes kann (können) radial oder in einer axialen Richtung im Wesentlichen parallel zu der axialen Richtung des Auslasses angeordnet sein, um einen ausfließenden Fluidstrom ohne signifikante Wirbel zu erzeugen. Alternativ dazu kann (können) der Einlass (die Einlässe) des hohlen Gefäßes in einer Richtung parallel zu der axialen Richtung des Auslasses angeordnet sein, um einen ausfließenden Fluidstrom mit Wirbel zu erzeugen.

1 stellt in einer Querschnittsansicht einen modularen Ruß-Reaktionsofen des Typs dar, der auch als „abgestufter" bezeichnet wird und allgemein im US-Patent Nr. 3 922 335 offenbart ist. 1 veranschaulicht einen Ruß-Reaktionsofen 2 mit einer ersten Stufe 10, die eine Zone mit konvergierendem Durchmesser 11 aufweist, eine zweite Stufe 12 und eine dritte Reaktorstufe 18. An den Ausgangsmaterial-Einspritzpunkten 32 in der zweiten Stufe 12 des Reaktors wird Ausgangsmaterial 30 eingespritzt. In der dritten Reaktorstufe 18 ist am Punkt 42 eine Löscheinrichtung 40 zum Einleiten eines Löschfluids 50 in den Reaktor angeordnet.

Eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Einleiten eines Fluidstroms 70 befindet sich nach dem Punkt der Ausgangsmaterial-Einspritzung an dem Punkt 72. Die Vorrichtung 70 enthält Einlassöffnungen 71 und ein Auslass-Ringrohr 73 zum Einleiten eines Fluidstroms in einer axialen Richtung in die dritte Reaktorstufe 18. In der dargestellten Ausführung sind die Einlassöffnungen 71 im Wesentlichen parallel zu dem Auslass-Ringrohr 73 angeordnet, um den Fluidstrom in den Reaktor ohne Wirbel einzuleiten.

2a und 2b stellen Ausführungen einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Einleiten eines Fluidstroms in den Reaktor dar. 2 veranschaulicht eine Seitenansicht einer Ausführung der Vorrichtung 70 nach der vorliegenden Erfindung zum Einleiten eines Fluidstroms in den Reaktor. Die gezeigte Ansicht ist das Ende, das ein Auslass-Ringrohr 73 enthält. In der in 2 gezeigten Ausführung sind die Einlassöffnungen 71 tangential zu dem Ringrohr 73 angeordnet. Infolgedessen wird das Ringrohr den Fluidstrom in den Reaktor mit Wirbeln einleiten.

2 stellt die Seitenansicht einer alternativen Ausführung der Vorrichtung 70 nach der vorliegenden Erfindung zum Einleiten eines Fluidstroms in den Reaktor dar. Die gezeigte Ansicht ist das Ende, das eine Vielzahl von Austrittsdüsen 72 enthält. In der in 2 gezeigten Ausführung sind die Einlassöffnungen 71 tangential zu den Austrittsdüsen 72 angeordnet. Infolgedessen werden die Austrittsdüsen den Fluidstrom in den Reaktor mit Wirbeln einleiten. Außerdem, oder alternativ dazu, können die Auslassöffnungen für die Austrittsdüsen 72 so ausgeführt sein, um auf den Fluidstrom einen Wirbel auszuüben.

3 stellt eine Ausführung des modularen Ruß-Reaktionsofens für die praktische Ausführung eines Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung dar. Die in 3 dargestellte Ausführung des Reaktors wurde in den folgenden Beispielen genutzt.

Mit Bezug auf 3 umfasst der Ruß-Reaktor 3 eine erste Stufe 10, die eine Zone mit konvergierendem Durchmesser 11, die einen abgestuften Bereich enthält, aufweist, eine zweite Ausgangsmaterial-Einspritzstufe 12 und eine dritte, Reaktorstufe 18. Das Ausgangsmaterial 30 wird an den Ausgangsmaterial-Einspritzpunkten 32 in der zweiten Stufe 12 des Reaktors eingespritzt. Die Löscheinrichtung 40 ist am Punkt 42 in der dritten Reaktorstufe 18 angeordnet, um ein Löschfluid 50 in den Reaktor einzuleiten.

Der Durchmesser der ersten Verbrennungsstufe 10 bis zu dem Punkt, an dem die Zone mit konvergierendem Durchmesser 11 beginnt, ist als D-1 dargestellt; der Durchmesser an der Stufe in Zone 11 ist als D-2 und der Durchmesser von Zone 12 als D-3 dargestellt. Die Länge der Verbrennungszone 10 der ersten Stufe bis zu dem Punkt, an dem die Zone mit konvergierendem Durchmesser 11 beginnt, ist als L-1, die Länge der Zone mit konvergierendem Durchmesser bis zu der Stufe als L-2, und von der Stufe bis zum Anfang der Ausgangsmaterial-Einspritzzone als L-3 dargestellt. Die Gesamtlänge der Ausgangsmaterial-Einspritzzone ist als L-4 dargestellt. Der Abstand zwischen dem Ende der Zone 11 und dem Punkt der Ausgangsmaterial-Einspritzung 32 ist als F dargestellt.

Der Reaktor 3 enthält eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zum Einleiten eines Fluidstroms 70, die nach dem Punkt der Ausgangsmaterial-Einspritzung an dem Punkt 72 angeordnet ist. Die Vorrichtung 70 enthält Einlassöffnungen 71 und ein Auslass-Ringrohr 73 wie es in 2a dargestellt ist, um einen Fluidstrom in einer axialen Richtung in die dritte Reaktorstufe 18 einzuleiten. In der dargestellten Ausführung sind Einlassöffnungen 71 radial zu dem Ringrohr 73 angeordnet, um den Fluidstrom in den Reaktor ohne Wirbel einzuleiten. Die Abmessungen der Vorrichtung 70 sind als L-5 und L-6 dargestellt.

In dem in 3 dargestellten Reaktor umfasst der Eintritt in die dritte Reaktorstufe 18 eine Zone 19 mit sich erweiterndem Durchmesser, dem sich eine abgestufte Zone 20, eine Zone 21 mit zunehmendem Durchmesser und anschließend eine erste Zone 22 mit gleichmäßigem Durchmesser 22 anschließt. Nach einem abgewinkelten Abschnitt des Reaktors ist eine zweite Zone 24 mit gleichmäßigem Durchmesser vorhanden.

D-2 stellt den Innendurchmesser des Ringrohrs 73 dar, das bei der Einleitung des Fluidstroms in den Reaktor genutzt wird. D-5 stellt den Außendurchmesser des Ringrohrs 73 dar. Der Durchmesser von Zone 19 ist an seinem weitesten Punkt als D-6 und die Länge der Zone 19 als L-7 dargestellt. Der Durchmesser der Zone 21 ist an seinem engsten Punkt als D-7 und die Länge der Zone 21 als L-8 dargestellt. Der Durchmesser der Zone 22 ist als D-8 und die Länge der Zone 22 als L-9 dargestellt.

Die Länge der Zone 23 ist als L-10 dargestellt. Der Sprung an der Oberseite des Reaktors zwischen der Zone 22 und der Zone 24 ist als H-1 dargestellt, und der Sprung an der Unterseite des Reaktors zwischen der Zone 22 und der Zone 24 ist als H-2 dargestellt. Der Durchmesser von Zone 24 ist als D-9 dargestellt.

Der Abstand vom Anfang der dritten Reaktorstufe 18 zu dem Punkt 42, an dem sich die Löscheinrichtung befindet, ist als Q dargestellt.

Mit Bezug auf die 1 oder 3 werden in der Verbrennungszone 10 heiße Verbrennungsgase erzeugt, um Ruße herzustellen, indem ein flüssiger oder ein gasförmiger Brennstoff mit einem geeigneten Oxidationsmittelstrom wie zum Beispiel Luft, Sauerstoff, Gemische von Luft und Sauerstoff oder dergleichen, in Kontakt gebracht wird. In die Brennstoffe, die zur Verwendung bei einer Kontaktherstellung des Oxidationsmittelstroms in der Verbrennungszone 10 zum Erzeugen der heißen Verbrennungsgase geeignet sind, ist jeder der ohne weiteres verbrennbaren Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsströme wie zum Beispiel Erdgas, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Acetylen, Alkohole oder Kerosin einbezogen. Im Allgemeinen wird jedoch bevorzugt, Brennstoffe zu nutzen, die einen hohen Gehalt von Kohlenstoff enthaltenden Bestandteilen und insbesondere Kohlenwasserstoffe enthalten. Das Verhältnis von Luft zu Brennstoff verändert sich mit der Art des verwendeten Brennstoffs. Wenn Erdgas verwendet wird, um die Ruße nach der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, kann das Verhältnis von Luft zu Brennstoff von etwa 10 : 1 bis etwa 100 : 1 betragen. Um die Erzeugung von heißen Verbrennungsgasen zu erleichtern, kann der Oxidationsmittelstrom vorgewärmt werden.

Der heiße Verbrennungsgasstrom strömt stromabwärts von den Zonen 10 und 11 in die Zonen 12 und anschließend 18. Die Richtung des Durchflusses der heißen Verbrennungsgase wird durch den Pfeil in 1 oder 3 dargestellt. Das Ausgangsmaterial 30, das Ruß ergibt, wird an dem Punkt 32 eingeleitet. Der Abstand vom Ende der Zone mit konvergierendem Durchmesser 11 stromabwärts zu dem Punkt 32 ist als F dargestellt. In den hier beschriebenen Beispielen wurde Ruß ergebendes Ausgangsmaterial 30 durch eine Vielzahl von Düsen, die in die inneren Bereiche des heißen Verbrennungsgasstroms eindringen, eingespritzt, um eine hohe Geschwindigkeit des Mischens und Ummantelns der heißen Verbrennungsgase und des Ruß ergebenden Ausgangsmaterials zu gewährleisten, damit das Ausgangsmaterial schnell und vollständig zerlegt und zu Rußpartikeln und Anhäufungen umgewandelt wird.

Zur Verwendung als Ruß ergebende Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialien, die unter den Bedingungen in dem Reaktor ohne weiteres flüchtig machbar sind, sind hier ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Acetylen, Olefine wie Ethylen, Propylen, Butylen, aromatische Verbindungen wie Benzol, Toluol und Xylol, bestimmte gesättigte Kohlenwasserstoffe und verdampfte Kohlenwasserstoffe wie zum Beispiel Kerosine, Naphthaline, Terpene, Ethylen-Teere, aromatisches Rückführöl und dergleichen geeignet.

Das Gemisch aus Ruß ergebendem Ausgangsmaterial und heißen Verbrennungsgasen strömt durch eine Zone 12 stromabwärts in die Zone 18 des Ruß-Reaktors. Ein Fluidstrom, der ein Oxidationsmittel, Stickstoff, Wasserstoff, ein kohlenwasserstoffartiges Material oder Gemische davon enthält, wird in den Reaktionsstrom in einer axialen Richtung durch die Vorrichtung 70 und das Ringrohr 73 an dem Eintritt der Reaktorstufe 18 eingeleitet. Der Fluidstrom wird unter genügendem Druck eingeleitet, um in den Innenbereich der Reaktorstufe 18 zu dringen.

Die an dem Punkt 42 befindliche Löscheinrichtung 40, die Löschfluid 50 einspritzt, wird zum Unterbrechen der Reaktionen in dem ausströmenden Medium genutzt. Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist die Löscheinrichtung 40 an einer Position 42 angeordnet, die es ermöglicht, dass Reaktionen in dem ausströmenden Medium auftreten, bis Ruße mit den gewünschten Eigenschaften gebildet sind. Q ist der Abstand vom Anfang der Zone 18 zum Löschpunkt 42 und wird sich entsprechend der Position der Löscheinrichtung verändern.

Nachdem das Gemisch aus heißen Verbrennungsgasen und dem Ruß ergebenden Ausgangsmaterial gelöscht ist, werden die abgekühlten Gase stromabwärts in beliebige herkömmliche Kühl- und Trennvorrichtungen geleitet, so dass die Ruße wiedergewonnen werden. Die Trennung von Ruß aus dem Gasstrom wird ohne weiteres durch die herkömmlichen Einrichtungen wie Abscheider, Zyklonabscheider oder Beutelfilter realisiert. Dem können sich, was aber nicht zwingend ist, einige Einrichtungen zur Verdichtung wie zum Beispiel Granulierung und Trocknung anschließen.

Die Merkmale und Vorteile nach der vorliegenden Erfindung werden durch die folgenden Beispiele weiter veranschaulicht.

Die folgenden Prüfverfahren werden bei der Bestimmung und Bewertung der analytischen Eigenschaften der in diesen Beispielen hergestellten Ruße eingesetzt. Die Jodzahl (I₂ Nr.) der Ruße wurde nach dem ASTM-Prüfverfahren D1510 bestimmt. Die DBP (Dibutylphthalat-Absorptionszahl) der Ruß-Pellets wurde nach dem in ASTM D 3493-86 erläuterten Verfahren bestimmt.

Es wurden Versuche bei einem Ruß-Herstellungsverfahren in einem Reaktor im Wesentlichen wie hier beschrieben und wie in der 3 dargestellt mit der Geometrie, die nachstehend erläutert wird, durchgeführt. In allen Beispielen war der primäre Brennstoff für die Verbrennungsreaktion Erdgas, das in den Ruß-Bildungsprozess bei einer Umgebungstemperatur von ungefähr 298 K (77°F) eingeleitet wurde. Die in allen Beispielen genutzten flüssigen Ausgangsmaterialien waren handelsüblich erhältliche Kohlenwasserstoffgemische.

In jedem Beispiel wurde ein Fluidstrom mit Verbrennungsluft ohne Wirbel durch die Vorrichtung 70 und das Ringrohr 73 eingeleitet. Die Geometrie des Reaktors und die Operationsbedingungen waren wie folgt:

Die Beispiele 1 bis 2 veranschaulichen die Wirkung des Hinzufügens eines Fluidstroms auf das Gefüge der durch das Verfahren hergestellten Ruße wie es sich durch die DBP der Ruße zeigt. Wie in dem Beispiel 2 dargestellt ist, führt eine Erhöhung der Geschwindigkeit einer Fluidzugabe in die Reaktorstufe 18 zu einem Ruß, der eine DBP aufweist, die im Vergleich mit Beispiel 1 ungefähr 10% größer ist.

Es soll deutlich verständlich werden, dass die Farmen nach der vorliegenden Erfindung, wie sie hier beschrieben sind, nur veranschaulichend sind und nicht beabsichtigen, den Umfang der Erfindung zu begrenzen. Die vorliegende Erfindung umfasst alle Modifikationen, die in den Umfang der vorhergehenden Offenbarung und der folgenden Ansprüche fallen.