DD211457A3

DD211457A3 - Herstellung von russ durch pyrolyse

Info

Publication number: DD211457A3
Application number: DD82244931A
Authority: DD
Inventors: Heinz Hoffmann; Hans-Joachim Spangenberg; Dagomar Koehler; Joachim Lachmann; Eike Schierhorn
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1982-11-17
Filing date: 1982-11-17
Publication date: 1984-07-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung gasfoermiger und fluessiger Kohlenstofftraeger in Russ und gasfoermige Produkte. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen in der Entwicklung einer einfachen und effektiven Methode zur Umwandlung gasfoermiger und fluessiger Kohlenwasserstoffe im Wasserstoffplasma in Russ und Wasserstoff. Das wird dadurch erreicht, dass fluessige und gasfoermige Kohlenwasserstoffe ueber eine Einduesungsvorrichtung in eine Reaktionskammer eingefuehrt, mit einem Wasserstoff-Plasmastrahl vermischt werden und durch den einsetzenden Pyrolyseprozess Russ mit bestimmten Eigenschaften sowie Wasserstoff entstehen. Die gebildeten Pyrolyseprodukte erfahren eine Vorquenchung in einer Kuehlzone, die gleichzeitig als Waermeaustauscher zur Vorwaermung der Ausgangskohlenwasserstoffe sowie des plasmabildenden Wasserstoffs dient.

Description

Berlin, den 15. 10. 1982 251/4869/111

Erfinder

Dr. Heinz Hoffmann

Prof. Hans-Joachim Spangenberg

Dagomar Köhler

Dr. Joachim Lachmann

Dr. Eike Schierhorn

Herstellung von Ruß durch Pyrolyse

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung gasförmiger und flüssiger Kohlenstoffträger in Ruß und gasförmige Produkte, indem eine Spaltung von Kohlenwasserstoffen bei erhöhter Temperatur im Wasserstoffplasma erfolgt und vorzugsweise Ruß und Wasserstoff gebildet werden.

Charakteristik der bekannten _itechnischen Lösungen 3s sind bereits plasmachemische Verfahren zur Herstellung von Ruß bekannt, die darin bestehen, daß der Kohlenwasserstoff einer Reaktionskammer, in der ein mit einem Edelgas oder Stickstoff stabilisierter Hochstrombogen brennt, zugeführt wird. Unter dem Einfluß der hohen Lichtbogentemperatur zersetzt sich der Kohlenwasserstoff in Ruß und Wasserstoff. Die Zersetzungsprodukte werden anschließend bis auf eine

7 unii jnrin . r» /. r^-> r\ r- .

Temperatur von 700°<S abgekühlt und der Ruß nach bekannten Verfahren abgeschieden (US-PS-3 288 696, US-PS-3 793 438). Außerdem ist ein Rußherstellungsverfahren bakannt, bei dem flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe in einen Entladungsraum eingeleitet werden, der aus mehreren ringförmig, auf einem Zylindermantel angeordneten Katoden und einer in der Zylinderachse gelegenen stabförmigen Anode gebildet wird. Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe werden tangential in den Entladungsraum eingeblasen. Die Zufuhr der flüssigen Rohkohlenwasserstoffe erfolgt über einen Kanal in der Stabanode. Als plasmabildendes Gas wird Wasserstoff verwendet (US-PS-3 344 051).

Ferner ist ein Rußherstellungsverfahren bekannt, nach dem die Kohlenwasserstoffe einem Lichtbogenplasmatron, dessen Elektroden aus zwei Hohlzylindern bestehen, als Ausgangsstoffe zugeführt und gleichzeitig zur Stabilisierung des Bogens ein gasförmiger Kohlenwasserstoff eingesetzt wird. Der Pyrolyseprozeß der Rohkohlenwasserstoffe unter Bildung von Ruß und Wasserstoff wird bei Plasmatemperaturen um 5000 K durchgeführt (DD-WP-100 487).

Es sind auch Verfahren zur Herstellung von Ruß bekannt, bei denen ein Inertgas durch eine äußere HF-Induktionsheizung auf seine Ionisierungstemperatur erhitzt wird, wobei die Kohlenwasserstoffe in die zentralen Teile dieser Reaktionsrzone eingeführt werden (DE-AS-1 467 430; DE-AS-1 467 426; DE-AS-1 592 856).

In anderen Pyrolyseverfahren zur Herstellung von Ruß wird der in einem separaten Piastaatron erhitzte Wärmeträger in eine Reaktionskammer in Plasmastrahlform eingeführt und gleichzeitig der Ausgangskohlenwasserstoff eingespeist. Dabei werden als plasmabildendes Gas Stickstoff und ala Ausgangskohlenwasserstoff Propan, Methan oder andere leicht zuführbare Kohlenwasserstoffe verwendet (US-PS-3 409 403; US-PS-3 420 6325 oder flüssige Kohlenwasserstoffe in einem luftplasma (DS-OS-3 101 289) bzw. in einem Methan-Plasma in Verbindung mit Wasserdampf (DE-AS-2 629 204) zersetzt.

Desweiteren wurde bereits vorgeschlagen, flüssige Kohlenwasserstoffe durch eine Eindüsungsvorrichtung derart in eine Reaktionskammer einzubringen, daß mit Hilfe eines Zerstäuber-

gases ein feinverteilter Aerosolnebel gebildet wird. Dieses Verfahren betrifft aber ausdrücklich, die Herstellung von Azetylen und Äthylen enthaltenden Pyrolysegasen und dient nicht zur Rußherstellung (WP C 10 G/230 107/1). Sin Nachteil von allen erwähnten Rußherstellungsverfahren, bei denen der Ort der Plasmaerzeugung und der Reaktionsraum identisch sind, besteht darin, daß der Ruß in sehr heterogener Teilchengröße entsteht. Die Ursache dafür liegt in dem extrem hohen Temperaturgradienten von der Achse zum Umfang. Das führt zum Vorhandensein nicht völlig zersetzter Reaktionsprodukte, die einer Verwendung des so hergestellten Rußes für spezielle Zwecke bestimmte Grenzen setzen. Außerdem weist der nach diesem Verfahren hergestellte Ruß einen großen Rauhigkeitskoeffizienten auf, hat Schuppen und Graphiteinschlüsse, die sein Verhalten in Gummi bzw. Kautschuk nachteilig beeinflussen (niedrige Abrieb- und Reißfestigkeitswerte). Die V_erveniung von Edelgasen zur Plasmaerzeugung schließt dieses Verfahren für einen großtechnischen Einsatz aus volkswirtschaftlichen Gründen von vornherein aus. Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren ist die Verwendung gasförmiger Rohkohlenwasserstoffe, die die Möglichkeiten zur Herstellung verschiedenster Rußsorten einschränkt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der genannten liachtei-

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und effektive Methode zur Umwandlung gasförmiger und flüssiger Kohlenstoff !träger im Wasserstoffplasma in Ruß und Wasserstoff zu entwickeln.

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe über eine Eindüsungsvorrichtung in eine Reaktionskammer eingeführt und mit einem in einem geeigneten, oberhalb der Eindüsungsvorrichtung befindlichen Plasmatron erzeugten, vertikal von oben in die Reaktionskammer einströmenden turbulenten Wasserstoff-Plasmastrahl vermischt werden

und durch den einsetzenden Pyrolyseprozeß Ruß und vorwiegend Wasserstoff entstehen. Die gebildeten Pyrolyseprodukte erfahren eine Vorquenchung auf etwa 1100 K in einer Kühlzone, die gleichzeitig als Wärmeaustauscher zur Vorwärmung der flüssigen und gasförmigen Ausgangskohlenwasserstoffe sowie des plasmabildenden Wasserstoffs dient. Die endgültige Abkühlung auf Temperature^-^ 500 K erfolgt in der sich anschließenden Quenchstufe durch Zuführung von Wasserstoff.Die flüssigen Kohlenwasserstoffe werden gemeinsam mit den gasförmigen Kohlenstoffträgern in einem Wärmeaustauscher vorgewärmt und am oberen Ende der Reaktionskammer über spezielle Düsenanordnungen als Aerosol feinverteilt eingesprüht. Dabei dienen die gasförmigen Kohlenstoffträger als Zerstäubergas für die Aerosolbildung der flüssigen Kohlenwasserstoffe. Der entstandene Ruß wird anschließend in Zyklonabscheidern und Beutelfiltern vom Tfasserstoff getrennt, wobei ein Teil des Wasserstoffs dem Prozeß wieder zugeführt Wird zum Betrieb der Quenchstufe bzw. nach Vorwärmung in einem Wärmeaustauscher zum Betrieb des Plasmatrons.

Eine andere Seite der Erfindung betrifft den Einfluß ionischer Träger auf die Rußbildung. Offenbar ist in Kohlenwasserstoff-Hochtemperatursystemen die Zahl der elektrischen Träger (positive Ionen) identisch mit der Zahl der in demselben Bereich kondensierenden Rußpa-rtikel. Demzufolge muß eine Veränderung der Ionenzahl, wie sie durch ionenbildende Zusätze, die z. B. in Form von Alkalisalzen am oberen Rand der Reaktionskammer gemeinsam mit den flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen zugegeben werden, erreicht werden kann, eine Veränderung der Rußteilchenzahl und Partikelgröße mit sich bringen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der Plasmapyrolyse gasförmiger und flüssiger Kohlenstoffträger zu Ruß und Wasserstoff besteht aus einem Plasmatron, das im Deckel eines mehrwandigen zylinderischen Rohres, bestehend aus Eindüsungsvorrichtung, Reaktionskammer, Wärmeaustauscher und Quenchstufe, montiert ist. Das Plasmatron erzeugt einen auf 3500 bis 4000 K erhitzten Wasserstoff-Plasmastrahl, der über ein sich innen konisch erweiterndes Graphitteil von oben in die Reaktionskammer geleitet wird. Die gasförmigen und flüssigen Kohlenstoffträger werden gemeinsam in einem Wärmeaus-

tauscher vorgewärmt und unter erhöhtem Druck über eine Eindüsungsvorrichtung in die Reaktionskammer geleitet. Der flüssige Kohlenwasserstoff gelangt dabei über Steigrohre und der gasförmige Kohlenwasserstoff über Zerstäuberrohre zu den speziellen Düsenanordnungen der Sindüsungsvorriehtung. Ein zweiter Wärmeaustauscher dient der separaten Vorwärmung des plasmabildenden Wasserstoffs, der aus dem Prozeß selbst stammt. In der Quenchstufe erfolgt die Abkühlung der Pyrolyseprodukte Ruß und Wasserstoff mit kaltem Wasserstoff·

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Lösung der Umwandlung gasförmiger und flüssiger Kohlenstoffträger in vorzugsweise Ruß und Wasserstoff hat den Vorteil, daß es gelingt, hochwertige Ruße mit bestimmten erwünschten Eigenschaften gleichmäßig herzustellen, wobei auch verhältnismäßig billige kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe umgewandelt werden" können. Verschiedene Arten von Ausgangskohlenwasserstoffen beeinflussen nicht die Ausbeute des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Rußes, sondern ermöglichen eine gezielte Beeinflussung seiner physikalisch-chemischen Kennwerte.Darüber hinaus lassen sich durch ionenbildende Zusätze solche Eigenschaften wie Teilchenzahl und Partikeigröße steuern.

Erfindungsgemäß wird somit der Anwendungsbereich und der Typ von Rußen in bezug auf Mikrographitcharakter, Adsorptionsvermögen und Leitfähigkeit erweitert, wobei die Verwendungseigenschaften dieser Ruße eindeutig verbessert sind. Es ist möglich, Ruße mit ungewöhnlich hoher Struktur herzustellen, die sich durch großes Adsorptionsvermögen und hohe elektrische Leitfähigkeit auszeichnen und dabei in ihren Eigenschaften selbst hochwertige Azetylenruße, die bisher zur Herstellung von Katoden für Trockenelemente durch nichts zu ersetzen waren, übertreffen.

Das Verfahren zeichnet sich auch in volkswirtschaftlicher Hinsicht durch eine besonders vorteilhafte Flexibilität aus, die die Verwendung von Ausgangsstoffen mit hohem Siedepunkt, die in flüssigem Zustand zerstäubt werden können und die Verwendung von Wasserstoff als plasmabildendes Gas, das im Prozeß selbst anfällt,ermöglicht, wobei die Konzentration des

Rußes in den Pyrolyseprodukten sehr hoch ist. Sine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des 7erfahfensist in der Figur dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einem Plasmatron 1, das im Deckel eines mehrbändigen zylinderischen Rohres 2, bestehend aus Bindüsungsvorrichtung 3, Reaktionskamraer 4, Wärmeaustauscher 5, Wärmeaustauscher 6 und Quenchstufe 7, montiert ist.Das Plasmatron 1 erzeugt einen auf 3500 bis 4000 K erhitzten Wasserstoff-Plasmastsahl, der über ein sich innen konisch erweiterndes Graphitteil 8 in die Reaktionskammer 4 gelangt.Der flüssige Kohlenstoffträger wird über die Zuführung 9 in den innersten Mantel des Rohres 2, dessen Innensand die äußere Begrenzung des Reaktionsgemisches bildet und als Wärmeaustauscher 5 arbeitet, unter erhöhtem Druck eingeleitet.Gleichzeitig wird über die Zuführung 10 ein gasförmiger Kohlenwasserstoff durch die Flüssigkeit geleitet. Der flüssige Kohlenstoffträger wird über Steigrohre 11, die zusammen mit Zerstäuberrohren 12 im Graphitmantel 13 der Reaktionakasmer 4 eingebettet sind, zur Eindüsungsvorrichtung 3 geführt, in der seine Verdüsung mit Hilfe des über die Zerstäuberrohre 12 zugeführten gasförmigen Kohlenwasserstoffs in den turbulenten Plasmastrahl hinein erfolgt. Der plasBiabildende Wasserstoff gelangt über die Zuführung 14 in den Wärmeaustauschar 6, wird dort vorgewärmt und dem Plasmatron 1 als Betriebsgas zugeführt. In der Reaktionskammer 4 findet die Umsetzung der Kohlenwasserstoffe im Wasserstoff plasma statt, wobei vorzugsweise Ruß und Wasserstoff gebildet werden- Zur Verminderung des Wachstums der Rußteilchen werden die Pyrolyseprodukte im Wärmeaustauscher 5; 6 auf eine Temperatur von 1100 K abgeschreckt. Die weitere Abkühlung auf eine Temperatur <C 500 K wird mit kaltem Wasserstoff durchgeführt, der der Quen^hstufe 7 über die Zuführung 15 zugeleitet wird. Zur Steigerung der Rußausbaute können der Reaktionskammer 4 über die Zuführung 16 ionenbildsnde Zusätze ( z. B. Alkali salze), die £ine Erhöhung von Rußteilchenzahl und Partikelgröße bewirken, zugegeben werden.. Der Außenmantel 17 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wassergekühlt, achließt diese nach außen gasdicht ab und besitzt nach innen eine Wärmedämmschicht 18.

Claims

Erfindung sansgruch

1. Verfahren zur Erzeugung von Ruß durch Umwandlung flüssiger und gasförmiger Kohlenwasserstoffe mit Hilfe hocherhitzten Wasserstoffs als Energieträger, gekennzeichnet dadurch, daß gasförmige und flüssige Kohleastoffträger über eine Eindüsungsvorrichtung in eine Reaktionskap^ar" eingeführt und mit einem, in einem geeigneten, oberhalb das Reaktordeckais montierten Plasmatron erzeugten, vertikal von oben in den Reaktor einströmenden turbulenten Wasserstoff-Plasmastrahl vermischt werden und eine Aufspaltung der zugeführten Kohlenstoffträger auf ihrem Wege von der Reaktionskammer über Wärmeaustauscher und Quenchstufe in Ruß und Wasserstoff erfolgt und daß nach Passieren der Quenchstufa der gebildete Ruß abgetrennt und ein Teil des Wasserstoffs der Quenchstuf© bzw. nach Vorwärmung im Wärmeaustauscher wieder dem Plasmatron als Betriebsgas zugeführt wird.

2„ Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die gasförmigen Kohlenwasserstoffe zusammen mit den flüssigen in einem Wärmeaustauscher vorgewärmt und gemeinsam über ein© Eindüsungsvorrichtung in den Reaktor eingebracht werden·

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekannzeichnet dadurch, daß der plasmabildenda Wasserstoff aus dem Prozeß selbst stammt und ebenfalls in einem zweiten Wärmeaustauscher vorgewärmt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1 biä 3» gekennzeichnet dadurch, daß mittels eines Plasmatrons (1) zur Erzeugung ©inas auf 3500 bis 4000 K erhitzten Wasserstoff-Plaamastrahl, das oberhalb sines zylindrischen Rohres (2), bestehend aus Eindüsungsvorrichtung (3), Reaktionskammer (4), Wärmeaustauscher (5), (β) und Quenchstufe (7), montiert ist, wobei dia Reaktionskammer (4) ain@ hitzebeständig® und wärmedämmende Innenauskleidung,' zweck-

mäßigerweise in Porss eines Graphitmantels (8) aufwsiat und daa gesamt© Rohr einen gekühlten Außenmantel (15) besitzt, an dessen oberen Teil sich eine Anzahl ringförmig angeordneter Düsen befinden, über welche die im Wärmeaustauscher (5) vorgewärmten flüssigen und gasförmigen Kohlenstoff träger gemeinsam in die Reaktionskammer (4) eingedüst werden und auf dem Wege von der Reaktionskammer (4) über Wärmeaustauscher (5; β) und Quenchstufe (7) eine Aufspaltung der zugeführten Kohlenstoffträger in Ruß und Wasserstoff erfolgt.

5. Vorrichtung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Längen von Raaktionskamoer (4) und Wärmeaustauscher (5; 6) so gewählt werden, daß die Zeit für eine optimale Rußbildung ausreicht.

Hierzu 1 Saiis Zeichnung