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Rußofen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von
Furnaceruß aus flüssigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere zur Herstellung von sehr
feinteiligem Ruß mit hoher Verstärkungswirkung auf Kautschukmischungen.
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Die Ruß erzeugende Industrie ist unablässig bemüht, die Rußqualitäten
zu verbessern, insbesondere die Verstärkerwirkung auf natürliche und künstliche
Kautschukmischungen zu erhöhen. Der Bedarf an solchen Rußqualitäten ist im Laufe
der Zeit stark angestiegen wegen des Ausbaues der kautschukverbrauchenden Industrien,
von denen die Automobilreifenindustrie den größten Teil des insgesamt hergestellten
Rußes verwendet. Durch stärkere Motoren, automatische Kraftübertragung, höhere keisegeschwindigkeiten
u. dgl. werden die Reifen mehr beansprucht und unterliegen einem höheren Verschleiß.
Um diesen schärferen Anforderungen zu genügen, müssen die zu Reifen und anderen
stark beanspruchten Gegenständen verarbeiteten Kautschukmischungen verbessert werden,
was praktisch nur über den Ruß möglich ist.
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Die Rußqualität, unter der in erster Linie die Fähigkeit zu verstehen
ist, Kautschukvulkanisaten eine hohe Abriebfestigkeit zu verleihen, läßt sich bekanntlich
dadurch verbessern, daß die Zeit, innerhalb der der Ruß durch Dissozitation aus
Kohlenwasserstoffen entsteht und einzelne Teilchen bildet, verkürzt wird. Die Reaktion
soll daher in einer möglichst turbulenten Atmosphäre unter gleichzeitiger ausreichender
Erwärmung und in Gegenwart zerteilender und verdünnender Gase durchgeführt werden,
um ein Anwachsen der Teilchen zu verhindern.
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Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Erzielung starker Turbulenz
und hoher Verdünnung bekannt. Nach dem Verfahren der USA.-Patentschrift 2 564 700
werden zwar die wünschenswerten Bedingungen bis zu einem bestimmten Ausmaß erhalten,
die Hauptschwierigkeit dieses Verfahrens besteht aber darin, daß es auf jeden Fall
erforderlich ist, die Heizkomponente durch die Seitenwandungen des Reaktors als
Vormischung von Gas und Luft einzuführen. Dieses Verfahren weist insofern Nachteile
auf, als das Mischen von Luft und Kohlenwasserstoffen nicht den Anforderungen entsprechend
geregelt werden kann.
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Es ist bereits bekannt, die verschiedenen Komponenten, nämlich Ausgangskohlenwasserstoffe,
Heizgase und Luft, getrennt einzuführen. Durch ein derartiges Verfahren ist es nicht
nur möglich, verschiedene Rußarten herzustellen, sondern es können auch unter höchster
Ausnutzung der Komponenten bessere Rußqualitäten und höhere Ausbeuten erhalten werden.
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Für die Abscheidung von feinteiligem Ruß ist ein Rußofen bekannt,
bei dem die düsenartige Einführung der Verbrennungsluft mit dem Verbrennungsgas
parallel zur Längsachse erfolgt und die Zufuhrleitung für die Brenngase fest und
unbeweglich angeordnet ist. Die Vermischung von Brennstoff und Gas erfolgt bei diesem
Rußofen bereits außerhalb des Verbrennungsraumes.
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Es wurde gefunden, daß ein Ruß mit erheblich verbesserten Eigenschaften,
der sich insbesondere als Füllstoff für Kautschukmischungen mit wesentlich höherer
Abriebfestigkeit eignet, erhalten werden kann, wenn die Vermischung von Brennstoff
und Luft erst innerhalb des Verbrennungsraumes des Rußofens erfolgt.
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Die Erfindung betrifft einen Rußofen, in. dem die Reaktionsbestandteile
leicht und schnell ge- und vermischt werden können. Dieser Rußofen, der zwei Reaktionszonen
unterschiedlichen Querschnitts und ringförmig um das zentrale ölzufuhrrohr angeordnete
Düsen
für ein brennbares Gas sowie eine tangentiale Luftzufuhr aufweist, ist gekennzeichnet
durch die Anordnung der Düsen für das brennbare Gas an dem in die erste Reaktionszone
reichenden Ende des Einsatzstückes, wobei sowohl die Düsen als auch das Einsatzstück
mit dem zentralen Ölzufuhrrohr axial verschiebbar sind.
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Die Erfindung wird durch die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung
stellt Fig.1 einen Längsschnitt des Ofens und der Brenneranordnung gemäß der Erfindung
dar; Fig. 2 zeigt das Ende der Luftkammer am Einlaßende des Ofens.
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Der in Fig. 1 dargestellte Ofen enthält zwei zylindrische, miteinander
in Verbindung stehende Reaktionsräume 10 und 12, die von einem Mantel 14 aus feuerfestem
Material und einem Stahlgehäuse 16 umgeben sind. Die Kammer 10 als erster Reaktionsraum
hat eine wesentlich größere lichte Weite als Länge, wobei der Durchmesser mindestens
doppelt so groß ist wie der Abstand zwischen den Linien A und B. In
direkter Verbindung durch einen gestrichelt gezeichneten Verbindungsabschnitt mit
der Kammer 10 befindet sich die Kammer 12, deren lichte Weite weniger als die Hälfte
der der Kammer 10 beträgt und deren Länge mindestens sechsmal so groß wie die lichte
Weite ist. Gute Ergebnisse wurden mit einem Ofen erhalten, bei dem die erste Kammer
10 einen Durchmesser von 57,0 cm aufwies und die 20 cm lang war und bei dem die
zweite Kammer 12 einen Durchmesser von 20 cm und eine Länge von 1,5 m aufwies. Ein
Abzug 13 ist mit dem Ende der Kammer 12 verbunden und eine Sprühvorrichtung 15 in
üblicher Weise vorgesehen.
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Der Einlaß in die Kammer 10 kann den gleichen oder einen nur schwach
verringerten Durchmesser besitzen und wird zum größten Teil von einem zylindrischen
feuerfesten Einsatz 18 ausgefüllt, dessen Durchmesser größer ist als der der Kammer
12 und der eine axiale Leitung 20 enthält. Zwischen den Einlaßwandungen und dem
Einsatz 18 wird auf diese Weise ein ringförmiger Raum 22 mit relativ geringem
Querschnitt hergestellt. Der Einsatz 18 ist im Einlaß zentriert und kann durch übliche
Mittel an dem Ofen befestigt sein. Am äußeren Ende des Einsatzes sind drei Tragstützen
24 vorgesehen, die mit dem Ofen durch lange, mit einem Gewinde zum Einstellen versehene
Verbindungen 26 verbunden sind. Die jeweils verwendete Trägeranlage muß derart eingestellt
sein, daß der Einsatz 18 in bestimmtem Maße bewegt und so das Volumen des offenen
Raumes der Kammer 10 verändert werden kann.
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Um das brennbare Gas in die Reaktionskammer 10
zu fördern, ist
ein ringförmiger Gaszerteiler oder -brenner 28 vorgesehen, der durch in die Kammer
reichende Gasleitungen 30 gespeist wird. Dieser neue Brenner gemäß der Erfindung
besitzt einen größeren Durchmesser als der Einsatz 18 und kann frei in den Ofen
ein- und ausgeführt werden, unabhängig von der Bewegung des Einsatzes, um die Verbrennungsbedingungen
zu verändern. In der äußeren Wandung des Brenners sind mehrere Öffnungen 32 vorgesehen,
die in einer Richtung, üblicherweise in Ofenrichtung offen sind. Die Anzahl, Größe
und Richtung der Öffnungen 32 kann innerhalb eines weiten Bereichs verändert werden.
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Um den Einsatz 18 herum befindet sich außerhalb des Ofens die Luftkammer
34 mit diametral entgegengesetzten Leitungen 36, die tangential in die Vorrichtung
führen.
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Die Anzahl der Einlaßleitungen kann nach Wunsch geändert werden, wobei
es nur erforderlich ist, daß die Luft tangential in die Vorrichtung eingeführt wird,
um dem Luftstrom große Wirbelgeschwindigkeit zu verleihen. Die Vorrichtung 34 ist
mit der Eintrittsöffnung in die Kammer 10 durch. einen kurzen röhrenförmigen Abschnitt
38 verbunden, der an der Einlaßwandung und an dem Einsatz 18 so dicht angeordnet
ist, daß keine Luft entweichen kann. Eine Platte 39 mit Öffnungen ist an einem dichten
Gehäuse 40 um den Einsatz 18 vorgesehen.
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Ein Kohlenwasserstofföl-Rohmaterial-Injektor 42 reicht durch die axiale
Leitung 20 des Einsatzes 18 in den Ofen hinein. Er besteht aus einer einzigen Leitung
mit geeignet ausgebildeter Tülle am Abfüllende und ist vorzugsweise mit einer bifiuiden
Zerstäubungskammer 44 geeigneter Art verbunden. Injektoren, bei denen das
Öl durch ein Gas, wie Luft oder ein brennbares Gas, versprüht wird, sind
bekannt.
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Es ist in der Praxis wesentlich, daß die oben beschriebenen Rohmaterialien
in den Reaktor in einem versprühenden Gas eingeführt werden, da keine optimalen
Ergebnisse erzielt werden, wenn das Öl nur durch Druck versprüht wird. Wenn jedoch
leichtere Öle oder Dämpfe dem Verfahren zugeführt werden,, kann die Sprühvorrichtung
weggelassen werden.
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Die Lage des ölinjekiors 42 und des Gasbrenners 28 ist etwas kritisch.
Die Kohlenwasserstoff-Injektorspritze soll sich mindestens bis zur Ebene der stromabwärts
gerichteten Fläche des Einsatzes 18 erstrecken und nicht mehr als 25 mm darüber
vorstehen. Der Gasbrenner 28 kann bis zur Linie A zurückgezogen werden, erstreckt
sich jedoch vorzugsweise über den Einsatz 18, wie dargestellt. Der Brennner darf
im Hinblick auf die bei der Vormischung von Gas und Luft im Einlaß sonst eintretende
Erschütterung nicht in den Hals 22 zurückgezogen werden. Beim Abziehen daraus würde
die Mischung mit Explosivkraft brennen, wenn sie in die heiße Reaktionskammer eintritt,
was äußerst unerwünscht ist.
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Der Rußofen gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt: Der Ausgangskohlenwasserstoff
wird in die Kammer 10 eingesprüht. Ein brennbares Gas fließt aus dem ringförmigen
Brenner 28 in mehreren Strahlen. Durch den Einlaß 22 eingeführte Luft verbrennt
das Gas und liefert den größeren Wärmeanteil zur Bildung des Rußes aus dem flüssigen
Kohlenwasserstoff. In dem Ausmaß, in dem ein überschuß an Luft über die zum Abbrennen
des gesamten Gases erforderliche Menge eingeführt wird, verbrennt auch ein Teil
des Ausgangskohlenwasserstoffs.
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Die Verbrennung in der ersten Kammer 10 verläuft äußerst turbulent
auf Grund der besonderen Form dieser Kammer, der großen Geschwindigkeit der Verbrennungsluft
und der Beschleunigung des Reaktionsproduktes durch einen Auslaß mit verringertem
Querschnitt. Die Reaktion verläuft infolgedessen äußerst wirksam und ist zum größten
Teil vollendet, ehe die gebildeten Produkte in die Kammer 12 mit verringerter lichter
Weite gelangen. Es wird dabei ein Ruß mit sehr kleiner Teilchengröße und besonders
wertvollen
Eigenschaften gewonnen, durch die der Ruß eine ausgezeichnete Verstärkerwirkung
erhält.
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Die neue Apparatur gemäß der Erfindung kann leicht verändert werden
und besitzt eine relativ einfache Konstruktion. Verschiedene Abänderungen der einzelnen
Teile können leicht und schnell ausgeführt werden, um die wirksamste Kombination
der Reaktionsbedingungen zur Herstellung bestimmter Arten von Ruß aus besonderen
Rohmaterialien zu erhalten. So können das erforderliche Gas und die Luft auch durch
das Einlaßende des Ofens eingeführt werden. Darüber hinaus kann der Punkt verändert
werden, an dem Luft und das Verbrennungsgas miteinander umgesetzt werden, um in
leichter Weise eine optimale Durchdringung zu erhalten.
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Der Gasbrenner 28 kann beispielsweise in den Einlaß derart zurückgezogen
werden, daß eine vollständige Verbrennung des Gases stattgefunden hat, ehe die Gase
mit dem versprühten Ausgangskohlenwasserstoff in Berührung gelangen. Vorzugsweise
kann der Gasbrenner auch hinter das Ende des Einsatzes 18, in Brennrichtung gesehen,
reichen, um eine maximale Verbrennung unmittelbar um den versprühten flüssigen Kohlenwasserstoff
zu erhalten.
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Die besonderen Vorteile des Rußofens gemäß der Erfindung bestehen
vor allem darin, daß im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen das versprühte
Ausgangsöl von einer wirbelnden turbulenten Masse des brennenden Gases umgeben ist
und die Verbrennung im wesentlichen vollendet ist, ehe die Gase aus dem ersten in
den zweiten Verbrennungsraum eintreten.
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Das nachfolgende Beispiel belegt die ausgezeichneten Ergebnisse, die
mit dem Rußofen gemäß der Erfindung erzielt werden können.
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Ausgangskohlenwasserstoff Zuflußgeschwindigkeit ........... 1141/Std.
Vorerwärmung ................. 260° C Versprühende Luft . . . . . . . . . . . .
. . 7481/Liter Öl Brennergas ..................... 56,6 ms/Std. Theoretische Verbrennung
....... 55,8% Ausbeute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321,6 g/Liter
Öl Schwärzegrad (Nigrometer) ...... 83,9 Farbtiefe .......................
242 Oberfläche des Rußes (Jodads.-Methode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 147 M2/g Eigenschaften des Kautschuks in o/o einer SAF-Ruß-Standardmischung Zugfestigkeit
............................... 106 Modul bei 300'°/o Dehnung . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 104 Modul bei 40011/o Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 102 Abriebfestigkeit ............................ 110 Schwund beim Spritzen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96