Produktionsprozesse

Ausgangsmaterial

Die verwendeten Rohstoffe reichen von Gasen, über erneuerbare Quellen bis hin zu hocharomatischen Ölen wie Steinkohleteerdestillaten oder Produkte der Crackprozesse von Naphtha- oder Vakuumölen. Diese Rohstoffe werden in 5 verschiedenen Carbon Black Prozessen eingesetzt. Eine kontinuierliche Qualitätskontrolle und Charakterisierung des Rohstoffs ist die Grundlage für gleichbleibend hochwertige Produkte.

Gasruß

Der Gasrußprozess ist ein offener Prozess mit konstantem Luftstrom. Es ermöglicht die Herstellung von Carbon Black mit Primärteilchengrößen im Bereich von 10 bis 30 nm. Gas Blacks zeichnen sich durch eine lockere Struktur und eine außergewöhnliche Dispergierbarkeit aus. Durch den Kontakt mit Sauerstoff bei hohen Temperaturen bilden sich saure Oxide auf der Oberfläche der Carbon Black Partikel. Im Gegensatz zu Furnace Blacks unterziehen sich Gas Blacks bei Wasserkontakt einer sauren Reaktion.

Furnaceruß

Die Furnacerußmethode ist die häufigste Prozessform in der großtechnischen Industrierußherstellung. Die Technologie ist kontinuierlich und verwendet flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe als Rohstoff und Wärmequelle. Der flüssige Rohstoff wird in eine Wärmequelle gesprüht, die durch die Verbrennung von Erdgas und  vorgewärmter Luft entsteht. Da die Reatkion bei sehr hoher Temperatur stattfindet, beschränkt sie sich auf einen feuerfesten Ofen. Nach der Bildung des Rußes wird das Prozessgemisch durch Einspritzen von Wasser abgeschreckt. Das mit Ruß beladene Gas durchströmt dann einen Wärmetauscher zur weiteren Kühlung und erwärmt gleichzeitig die benötigte Prozessluft. Ein Taschenfiltersystem trennt die Rußpartikel vom Gasstrom. Der vom Filter gesammelte Industrieruß hat ein sehr geringes Schüttgewicht. Aufgrund der leichten Ölbeschichtung zeichnen sich diese Carbon Blacks durch eine leichte Dispergierbarkeit und eine nahezu staubfreie Handhabung aus. Neben seinen ökologischen, wirtschaftlichen und technischen Vorteilen ermöglicht die Ofenrußmethode eine größere Flexibilität, da die Herstellung verschiedener Carbon Black Typen einfacher ist als bei jedem anderen derzeit eingesetzten Verfahren. Dadurch ist es möglich, ein breites Spektrum an Carbon Blacks herzustellen, ohne den Prozess für jede Produktvariante grundlegend zu verändern.

Acetylenruß

Acetylen ist der Rohstoff für die Herstellung von Acetylenruß. Es wird in einem geschlossenen System exothermisch gespalten, wobei Carbon Black und Wasserstoff entstehen. Im Gegensatz zum Ofenruß ist keine Vorbrennkammer und keine Wassereinspritzung Teil des Prozesses. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die parallele Nutzung mehrerer kleinerer Reaktoren. Der Acetylenruß und das Prozessgas werden durch Wärmetauscher von weit über 2000°C Reaktionstemperatur auf Umgebungstemperatur  heruntergekühlt. Nach der Abtrennung des Wasserstoffs vom Acetylenruß wird letzterer pneumatisch einem mehrstufigen Verdichtungsprozess zugeführt.

Die Eigenschaften von Acetylenruß sind einzigartig. Aufgrund der Morphologie weist es eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf und der sehr saubere Rohstoff bietet eine ausgezeichnete Reinheit und eine guteAbsorptionsfähigkeit für Flüssigkeiten. Die hohen Reaktionstemperaturen führen im Vergleich zu anderen Carbon Black Typen zu einem "graphit-ähnlichen" Produkt, was zu einer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit führt. Acetylenruß ist sehr hydrophob und hat daher eine sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme.

Thermalruß

Diese Methode zur Herstellung von Industrieruß ist ein diskontinuierlicher oder zyklischer Prozess, bei dem Erdgas der am häufigsten verwendete Rohstoff ist. Eine Thermal Black-Anlage bietet maximale Effizienz im Tandembetrieb. Der Prozess besteht aus zwei Reaktoren, die abwechselnd in Zyklen von fünf bis acht Minuten betrieben werden. Ein Reaktor wird mit einem Erdgas- oder Öl-Luft-Gemisch erwärmt, der Andere mit reinem Rohstoff, das thermisch zersetzt wird. Die eigentliche Carbon Black Bildung erfolgt in Abwesenheit von Sauerstoff und bei abnehmender Temperatur. Dies führt zu Industrierußeigenschaften, die sich deutlich von denen thermisch-oxidativer Prozesse unterscheiden. Thermalruße bilden sich relativ langsam, was zu groben Primärteilchengrößen im Bereich von 300 bis 500 nm führt.

Flammruß

Das Flammruß-Verfahren ist das älteste kommerzielle Rußproduktionsverfahren. Es besteht aus einer gusseisernen Pfanne,  die den flüssigen Rohstoff bereithält. Darüber befindet sich eine feuerfeste Rauchfanghaube, die mit feuerfesten Steinen ausgekleidet ist. Der Luftspalt zwischen Pfanne und Haube sowie das im System vorhandene Vakuum helfen bei der Regulierung der Luftzufuhr und ermöglichen es die endgültigen Eigenschaften des Carbon Black zu feinjustieren. Obwohl die von der Haube abgestrahlte Wärme den Rohstoff verdampfen und teilweise verbrennen lässt, wird der größte Teil davon in Industrieruß umgewandelt. Zur Abtrennung der Feststoffe werden nach der Abkühlphase rußhaltige Prozessgase durch einen Filter geleitet. Diese Carbon Blacks zeichnen sich durch eine breite primäre Partikelgrößenverteilung im Bereich von etwa 60 bis über 200 nm aus.

Nachbehandlung

Im Nachbehandlungsprozess wird der produzierte Industrieruß mit weiteren Substanzen nachbearbeitet. Dadurch wird die Polarität der Oberfläche erhöht und die Wechselwirkungen zwischen Carbon Black und anderen chemischen Substanzen gefördert. Dies können polare Polymere, Bindemittel in Beschichtungen oder Lackformeln sein. Dadurch wird eine bessere Dispergier- und Benetzbarkeit erreicht, wodurch eine glattere Oberfläche in der Endanwendung entsteht. In Batterien reduzieren die nachbehandelten Carbon Blacks den Wasserverlust auf ein Minimum und verbessern die Leistung der Batterie.

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