CN109971218B

CN109971218B - 碳黑制备装置

Info

Publication number: CN109971218B
Application number: CN201811540483.9A
Authority: CN
Inventors: 李在锡
Original assignee: OCI Co Ltd
Current assignee: OCI Holdings Co Ltd
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2038-12-17
Also published as: CN109971218A; KR20190078969A; KR102477019B1

Abstract

本发明涉及碳黑制备装置，上述碳黑制备装置因设置有可对碳黑进行均匀的氧化处理的反应器，从而可在制备原料碳黑的同时对碳黑连续性地进行表面处理。

Description

碳黑制备装置

技术领域

本发明涉及碳黑制备装置，上述碳黑制备装置设置有可对碳黑进行均匀的氧化处理的反应器，从而可在制备原料碳黑的同时对碳黑连续性地进行表面处理。

背景技术

碳黑是指通过不完全燃烧包含各种烃或碳的化合物来获得的非常细微的球形颗粒的集合体。碳黑在反应炉中形成初级颗粒(Primary Particle)，这些初级颗粒彼此融合形成葡萄串形态的初级凝集体。像这样，将初级凝集体的发展程度称为结构(Structure)。

高色碳黑作为黑色着色剂，主要使用于工业用油漆、涂布、塑料及纤维用着色剂、各种印刷品和报纸印刷油墨等。并且，高色碳黑作为电子产品的导电性材料，以各种形式广泛使用于整个工业部门。

此时，碳黑根据自身物性来影响油墨或涂料的质量。对油墨或涂料的质量起到关键作用的物性有比表面积、结构、粒径、挥发物含量等。因此，为了制备高色碳黑，应调节作为碳黑的基本胶质物性的比表面积、结构、粒径大小及表面官能团数量。

结构发展程度根据等级(Grade)而不同，是对混入橡胶时的拉力拉伸应力和挤压特性、混入油墨和汽车涂料及树脂时的分散性和黑色度、粘度、导电性等具有大大小小的影响的因素。结构由永久融合的初级凝集体(Aggregate)和通过范德瓦尔斯力(Van derwaals)的相互作用的二级凝集体(Agglomerate)组成，实际上，认为在参与油墨或涂料、树脂等功能的程度上前者占主导地位。

碳黑的结构发展程度越大，黑色度及着色力减少，但是分散性及媒介的需求及粘性增加。

此时，碳黑的粒子尺寸越小，黑色度、着色力、防紫外线及吸收力增加，而分散性降低。并且，多孔性的增加表示媒介的需求及粘性增加。

并且，若粒子大小变小，虽黑色度及着色力变好，但是分散性变差且加工性下降，若结构发展，则分散性变好，但是黑色度及着色力趋于下降。因此，若仅调节这两种特性来制备高色碳黑，则因分散性和加工性的问题而在使用中受限制。

在一般情况下，碳黑的主要组成元素除了碳之外，具有作为碳黑的原料的包含在烃中的氢或硫以及在分解反应过程和捕集过程中加入的氧等。其中，已知大多数氢和碳存在于粒子表面，即，雏晶的末端。

在一般情况下，作为现有的碳黑的制备方法，正在利用液相氧化法。

这种液相氧化法是向氧化类的水溶液，如硝酸、硫酸、氯酸盐、过碳酸盐中加入碳黑来搅拌混合的方法。此时，为注入用于提高碳黑的表面的分散性的极性官能团，将硝酸及硫酸中的一种以上的酸性溶液沉积处约10～48小时后，再用蒸馏水清洗，并在100℃以上的烘箱(oven)中完全干燥。

这种液相氧化法通过引入碳黑最终产品的后处理工序来实现，由于是批量型(batch type)，因此降低工序稳定性且降低产品的均匀度(uniformity)，最终导致降低收率的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供碳黑制备的同时可连续性地执行对碳黑的表面处理的碳黑制备装置。

并且，本发明的目的在于，提供具有可对碳黑进行均匀的表面处理的反应器的碳黑制备装置。

技术方案

为了解决所述的技术问题，根据本发明一实施方式，提供碳黑制备装置，其中，包括：第一反应器，用于形成未粉碎碳黑；粉碎机，用于粉碎在上述第一反应器中形成的未粉碎碳黑；第二反应器，通过混合由上述粉碎机粉碎的碳黑与水来形成碳黑混合物；制粒机，对上述碳黑混合物进行制粒来形成粒化的碳黑；干燥机，用于使上述粒化的碳黑干燥；以及多个移送管道，分别对上述第一反应器与上述粉碎机、上述粉碎机与上述第二反应器、上述第二反应器与上述制粒机以及上述制粒机与上述干燥机进行连接。

在一实施例中，上述移送管道中至少一个为以能够进行旋转的方式设置的移送式反应器，上述移送式反应器可包括：臭氧气体注入口，向上述移送式反应器的内部供给臭氧气体；以及隔板或闸，以规定高度突出形成于上述移送式反应器的内周面。

在另一实施例中，上述移送管道中至少一个为移送式反应器，上述移送式反应器可包括设置有单方向移送供给上述移送式反应器的碳黑的螺杆的螺杆加料器及用于向上述移送式反应器的内部供给臭氧气体的臭氧气体注入口。

有益效果

根据本发明，可在碳黑制备工序中执行对碳黑的表面处理，从而可提高工序稳定性及效率性。

并且，根据本发明，具有可通过提高碳黑和臭氧的接触效率来对碳黑表面进行均匀的表面处理的优点。

附图说明

图1为示出根据本发明一实施例的碳黑制备装置的示意图。

图2为简要示出适用于图1的A区域的第四移送管道被设置为移送式反应器的情况。

图3至图5为简要示出根据本发明再一实施例的第四移送管道被设置为移送式反应器的情况。

图6为示出适用于图5的A区域的臭氧气体喷嘴的另一例。

图7及图8为简要示出根据本发明另一实施例的第四移送管道被设置为移送式反应器的情况。

具体实施方式

以下参照后述的实施例会让本发明的优点、特征及实现这些优点和特征的方法更加明确。但是，本发明并不局限于以下所公开的实施例，能够以互不相同的各种方式实施，本实施例用于使本发明所属技术领域的普通技术人员完整地理解本发明的范畴，本发明仅由发明要求保护范围定义。在整个说明书中相同的附图标记指相同的结构要素。

以下，参照附图，对根据本发明优选实施例的碳黑制备装置及其制备方法详细说明。

图1为示出根据本发明一实施例的碳黑制备装置的示意图。

参照图1，根据本发明一实施例的碳黑制备装置100包括第一反应器110、粉碎机120、第二反应器130、制粒机140、干燥机150及移送管道160。根据上述实施例的碳黑制备装置的特征在于，因具有制粒机140而制备颗粒状的碳黑。

另一方面，根据本发明另一实施例，碳黑制备装置100可制备粉末状的碳黑。在此情况下，无需具有制粒机140，粉碎机或额外的储存罐可位于制粒机140位置。

第一反应器110通过燃料烃及含氧气体的反应热分解来形成未粉碎的碳黑。

其中，为了向第一反应器110的内部供给燃料烃，碳黑制备装置100还可包括第一燃料储存罐102、第一泵106及第一预热器114。

此时，储存在第一燃料储存罐102的内部的燃料烃通过第一泵106泵送到第一预热器114，供给到第一预热器114的内部的燃料烃与含氧气体一起预热并供给到第一反应器110的内部。

并且，为了向第一反应器110的内部供给含氧气体，碳黑制备装置100还可包括第二燃料储存罐104、第二泵108、第二预热器112、气体反应器116、第三预热器118及鼓风机125。

此时，第二燃料储存罐104的内部储存有原料油，原料油通过第二泵108泵送到第二预热器112后，供给到气体反应器116的内部。通过这种气体反应器116的内部的原料油供给到第三预热器118，此时，与通过鼓风机125注入到第三预热器118的内部的氧气反应产生含氧气体。然后，将含氧气体供给到第一预热器114的内部，与燃料烃一起预热后，供给到第一反应器110的内部。

粉碎机120起到粉碎通过第一反应器110形成的碳黑的作用，通过这种粉碎机120，可将碳黑粉碎成100nm以下的细微的大小。

第二反应器130的安装目的在于，使通过粉碎机120粉碎的碳黑与水反应形成碳黑混合物。为此，在第二反应器130中可设置有用于接收从外部供给的水的供水管道(未图示)。此时，相对于100重量份的碳黑混合物，可添加50～300重量份的水，但并不限定于此。

制粒机140通过对由第二反应器130形成的碳黑混合物粒化来形成粒化的碳黑。

干燥机150用于使由制粒机140形成的粒化的碳黑干燥。此时，为了去除粒化的碳黑的水分，优选地，干燥至少在100℃以上进行，更加优选地，在150～300℃进行。

多个移送管道160分别对第一反应器110与粉碎机120、粉碎机120与第二反应器130、第二反应器130与制粒机140以及制粒机140与干燥机150进行连接。

更具体地，移送管道160可包括用于连接第一预热器114的出侧与第一反应器110的入侧的第一移送管道161、用于连接第一反应器110的出侧与粉碎机120的入侧的第二移送管道162、用于连接粉碎机120的出侧与第一反应器130的入侧的第三移送管道163、用于连接第二反应器130的出侧与制粒机140的入侧的第四移送管道164、用于连接制粒机140的出侧与干燥机150的入侧的第五移送管道165。

另一方面，根据本发明另一实施例，省略制粒机140的粉末状的碳黑制备装置100可用粉碎机、额外的储存罐和/或粉粉末投入机来代替制粒机140。

由此，第四移送管道164可连接第二反应器130的出侧与粉碎机、额外的储存罐和/或粉末投入机的入侧，第五移送管道165可连接粉碎机、额外的储存罐和/或粉末投入机的出侧与干燥机150的入侧。

其中，在制备颗粒状碳黑的装置100的情况下，作为用于连接第二反应器130的出侧与制粒机140的入侧的移送管道的第四移送管道164可以为对碳黑进行表面处理的管道。并且，在制备粉末状的碳黑的装置100的情况下，作为用于连接第二反应器130的出侧与粉碎机、额外的储存罐和/或粉末投入机的入侧的移送管道的第四移送管道164可以为对碳黑进行表面处理的管道。

为此，第四移送管道164可设置于对粒化的碳黑的表面进行臭氧氧化的移送式反应器。此时，通过对碳黑的表面进行臭氧氧化处理来使碳黑的表面用于提高对极性溶剂的分散性及稳定性的表面官能团增加，从而可制备高色碳黑。

并且，根据本发明的多种实施例，第三移送管道163及第五移送管道165也可代替第四移送管道164或者与第四移送管道164一同设置于对碳黑的表面进行臭氧氧化处理的移送式反应器。并且，对碳黑的表面进行臭氧氧化处理的移送式反应器可根据工序顺序或最终产物的规格等对设置数量及位置等进行各种改变。

例如，在制备粉末状的碳黑的情况下，第四移送管道164及第五移送管道165中的至少一个可设置于对碳黑的表面进行臭氧氧化的移送式反应器。并且，在制备颗粒状的碳黑的情况下，第三移送管道163、第四移送管道164及第五移送管道165中的至少一个可设置于对碳黑的表面进行臭氧氧化的移送式反应器。

图2为简要示出适用于图1的A区域的第四移送管道被设置为移送式反应器的情况。以下，将第四移送管道和移送式反应器以一视同仁的方式进行说明。

参照图2，连接第二反应器130(图1)的出侧及制粒机140(图1)的入侧的第四移送管道164可以为向出侧164b移送从入侧164a供给的碳黑混合物的同时对混合物中碳黑进行表面处理的管道。为此，第四移送管道164的特征在于，同时包括碳黑的移送单元和表面处理单元。

第四移送管道164可以为圆筒形(具有圆形截面的形状)，但并不一定限定于此，可根据需要呈具有半圆形截面的形状。

首先，将从第四移送管道164的入侧164a供给的碳黑混合物向出侧164b移送，同时以能够进行旋转的方式设置，以均匀地混合及氧化处理碳黑混合物。

为此，在固定第四移送管道164的入侧164a和出侧164b的状态下，能够以第四移送管道164独立旋转，或者仅使第四移送管道164的一部分区域旋转的方式设置。应理解，第四移送管道164的旋转驱动方式并不限定于本申请附图中示出的形态。

将从第四移送管道164的入侧164a供给的碳黑混合物移送到出侧164b，同时可在第四移送管道164的内周面以规定高度突出形成有隔板或闸164c，以均匀地混合碳黑混合物。

突出形成于第四移送管道164的内周面的隔板或闸164c根据第四移送管道164的旋转，可将第四移送管道164内的碳黑混合物进行混合。

图3为简要示出根据本发明再一实施例的第四移送管道被设置为移送式反应器的情况。

参照图3，隔板或闸164c可朝向向第四移送管道164供给碳黑混合物的方向或其反方向倾斜规定角度突出形成，从而，碳黑混合物可借助第四移送管道164的旋转来顺利地被移送到出侧164b方向。

为了对从第四移送管道164的入侧164a供给的碳黑混合进行氧化处理，可设置有向第四移送管道164内供给臭氧气体的臭氧气体注入口164d。

臭氧气体注入口164d能够以贯通第四移送管道164的外周面和内周面的方式形成，并可与产生臭氧的臭氧产生器(未图示)相连接。臭氧产生器从供氧器接收氧气来产生臭氧，所产生的臭氧与氧气以混合的混合气体状态供给到第四移送管道164。

在臭氧产生器中，例如，以空气或氧气为主原料，可通过诸如高电压弧放电之类的等离子放电来产生臭氧。利用压缩机压缩空气后，仅分离氧气来使用氧气。

作为产生臭氧的另一例，还可借助无声放电，如电晕放电。在借助等离子放电的情况下，例如，在电极之间放置电解质如玻璃或陶瓷并吹入空气或氧气，向电极施加高电压(6kv至15kv)，在放电空间通过如下反应产生臭氧。

O₂+e^--->O+O+e^-

O₂+e^--->O₂ ^*+e^-

O+O₂+M-->O₃+M(M为碳黑)

O₂ ^*+O₂-->O₃+O

若在臭氧产生器中产生臭氧，则获得臭氧与氧气混合在一起的状态混合气体，混合气体中作为载气的氧气与臭氧一同被投入第四移送管道164。

此时，在第四移送管道164中，为使碳黑混合物与混合气体中臭氧的均匀反应，优选地，供给占第四移送管道164的内部体积的1/2以下的体积的碳黑混合物。

第四移送管道164内碳黑混合物中碳黑与投入第四移送管道164的混合气体中臭氧反应，从而表面被氧化。

向第四移送管道164内投入混合气体时，可调节混合气体的投入速度，以防止碳黑因气体的流速而飞溅。并且，根据第四移送管道164内的碳黑的堆积密度可调节浓度及每小时投入的混合气体的体积。

具体地，可按15g/m3至200g/m3的浓度投入混合气体，并可根据第四移送管道164的内部体积调节投入速度。例如，在第四移送管道164的内部体积为70L的情况下，能够以5L/分钟至50L/分钟的速度投入混合气体。可通过所述的数值范围内的流入速度投入混合气体来提高对碳黑的氧化效率。

在本申请中，使用于碳黑的氧化的第四移送管道164可具有臭氧气体注入口164d和臭氧气体排出口(未示出)。从臭氧气体注入口164d投入用于氧化处理碳黑的混合气体，在完成碳黑的氧化处理后，可从臭氧气体排出口排出混合气体。臭氧气体注入口164d和臭氧气体排出口可分别设置于第四移送管道164的两侧，或者沿着第四移送管道164的延伸方向可整体设置。

若向第四移送管道164内投入混合气体，则与供给到第四移送管道164内的碳黑接触，此时，混合气体中臭氧与碳黑反应来改性表面，以使碳黑成为亲水性后，还原成氧气并通过臭氧气体排出口排出。

此时，碳黑的表面改性在向碳黑的表面引入阻止电子的移动的极性官能团，对于极性官能团的种类没有特别限制，但是可以为例如，氨基、卤素基、磺酸基、膦酸基、磷酸基、硫醇基、烷氧基、酰胺基、醛基、酮基、羧基、酯基、羟基、酸酐基、酰卤基、氰基和唑基等。

但是，在本申请中，氧化处理为利用臭氧的氧化处理，向碳黑的表面可引入的极性官能团可以为含氧官能团

图4及图5为简要示出根据本发明再一实施例的第四移送管道被设置移送式反应器的情况。

参照图4及图5，将从第四移送管道164的入侧164a供给的碳黑混合物移动到出侧164b，同时以能够进行旋转的方式设置，以均匀地混合及氧化处理碳黑混合物。

为此，在固定第四移送管道164的入侧164a和出侧164b的状态下，能够以使第四移送管道164独立旋转，或者仅使第四移送管道164的一部分区域旋转的方式设置。应理解，第四移送管道164的旋转驱动方式并不限定于在本申请附图中示出的形态。

并且，尽管未在图4及图5中单独示出，但是，将向第四移送管道164的入侧164a供给的碳黑混合物移送到出侧164b，同时可在第四移送管道164的内周面以规定高度突出形成有隔板或闸，以均匀地混合碳黑混合物。

突出形成于第四移送管道164的内周面的隔板或闸根据第四移送管道164的旋转，可混合第四移送管道164内碳黑混合物。

其中，隔板或闸可朝向向第四移送管道164供给的碳黑混合物的方向或其反方向倾斜规定角度突出形成，从而，碳黑混合物可借助第四移送管道164的旋转来顺利地被移送到出侧164b方向。

并且，为了对从第四移送管道164的入侧164a供给的碳黑混合进行氧化处理，可设置有向第四移送管道164内供给臭氧气体的臭氧气体注入口。

臭氧气体注入口可包括横穿第四移送管道164的中心配置的旋转轴164e和从旋转轴164e分支的臭氧气体喷嘴164f。其中，旋转轴164e与臭氧产生器(未图示)相连接，并可向第四移送管道164内供给包含从臭氧产生器产生的臭氧的混合气体，所以，优选地，旋转轴164e为可使混合气体通过其内部的空心形状。

并且，向第四移送管道164内均匀地投入混合气体，从而提高碳黑与臭氧的氧化效率，为了减少未反应碳黑的量，臭氧气体喷嘴164f可具有从旋转轴164e分支的形状。

由于臭氧气体喷嘴164f的分支的形状，还可期待第四移送管道164内碳黑混合物的混合效果，根据需要，可省略突出形成于第四移送管道164的内周面的隔板或闸。

参照图5，臭氧气体喷嘴164f可倾斜规定角度，以使朝向向第四移送管道164内供给碳黑混合物的方向或其反方向。

此时，在以倾斜规定角度的方式配置臭氧气体喷嘴164f，以使朝向供给碳黑混合物的方向的情况下，形成第四移送管道164内反气流，从而可诱导对碳黑的更加均匀的氧化反应。并且，由于倾斜的臭氧气体喷嘴164f，不仅具有碳黑混合物的混合效果，而且可向第四移送管道164的出侧164b移送碳黑混合物，因此根据需要，可省略突出形成于第四移送管道164的内周面的隔板或闸。

图6为示出适用于图5的A区域的臭氧气体喷嘴的另一例，参照图6，臭氧气体喷嘴164f可以为朝向向第四移送管道164内供给碳黑混合物的方向喷射臭氧气体的放射形喷嘴。

此时，放射形喷嘴单独配置在与第四移送管道164的入侧164a相邻的旋转轴164e，或者可沿着旋转轴164e的延伸方向配置多个。

参照图7及图8，将向第四移送管道164的入侧164a供给的碳黑混合物移送到出侧164b，同时以能够进行旋转的方式设置，以均匀地混合及氧化处理碳黑混合物。

并且，第四移送管道164可以作为螺杆加料器。为此，可设置有将向第四移送管道164的内部供给的碳黑混合物移送到第四移送管道164的出侧164b方向的螺杆164g。

参照图7，为了对向第四移送管道164的入侧164a供给的碳黑混合物进行氧化处理，可具有向第四移送管道164内供给的臭氧气体的臭氧气体注入口164d。

臭氧气体注入口164d能够以贯通第四移送管道164的外周面和内周面的方式形成，并可与产生臭氧的臭氧产生器(未图示)相连接。臭氧产生器从供氧器接收氧气来产生臭氧，所产生的臭氧以与氧气混合的混合气体状态供给到第四移送管道164。

并且，参照图8，臭氧气体注入口可插入螺杆164g的旋转轴164e，通过臭氧气体注入口供给的臭氧气体可借助设置于螺杆164g的臭氧气体喷嘴(未图示)来供给到第四移送管道164内。

另一方面，根据本发明一实施例的碳黑制备装置100还可包括斗式提升机170、分级机175、磁气分离器180及储存罐190。

斗式提升机170垂直提升并移送干燥的粒化的碳黑，分级机175起到对通过斗式提升机170垂直提升的粒化的碳黑进行分级作用。并且，磁气分离器180起到对分级的粒化的碳进行分离的作用。

储存罐190用于通过热处理由磁性分离器180分离的粒化碳黑来形成回填机195。此时，在储存罐190中热处理形成的回填机195经质量检验后，可通过装载在运输工具来出货。

以上，以本发明实施例为中心进行了说明，但是在本发明所属技术领域的普通技术人员的水平上可作出多种变更或变形。可在不脱离本发明提供的技术思想的范围下，这些变更和变形应落入在本发明。因此，本发明的发明要求保护范围应由以上描述的发明要求范围来判断。

Claims

1.一种碳黑制备装置，其特征在于，

包括：

第一反应器，用于形成未粉碎碳黑；

粉碎机，用于粉碎在上述第一反应器中形成的未粉碎碳黑；

第二反应器，通过混合由上述粉碎机粉碎的碳黑与水来形成碳黑混合物；

制粒机，对上述碳黑混合物进行制粒来形成粒化的碳黑；

干燥机，用于使上述粒化的碳黑干燥；以及

多个移送管道，分别对上述第一反应器与上述粉碎机、上述粉碎机与上述第二反应器、上述第二反应器与上述制粒机以及上述制粒机与上述干燥机进行连接，

上述移送管道中至少一个为以能够进行旋转的方式设置的移送式反应器，

连接上述第二反应器和上述制粒机的上述移送管道是第四移送管道，

上述第四移送管道包括：

多个臭氧气体注入口，向上述第四移送管道的内部供给臭氧气体；以及

多个隔板或闸，以规定高度突出形成于上述第四移送管道的内周面，

上述隔板或闸朝向上述第四移送管道供给碳黑混合物的方向或其反方向倾斜规定角度突出形成，且各个上述臭氧气体注入口和各个上述隔板或闸以彼此交替的方式设置，

并且，上述碳黑制备装置用于制备炭黑并进行引入极性官能团的表面改性。

2.根据权利要求1所述的碳黑制备装置，其特征在于，上述臭氧气体注入口包括：

旋转轴，横跨上述移送式反应器的中心配置；以及

臭氧气体喷嘴，从上述旋转轴分支。

3.根据权利要求1所述的碳黑制备装置，其特征在于，上述臭氧气体喷嘴朝向向上述移送式反应器供给碳黑的方向倾斜规定角度。

4.根据权利要求2所述的碳黑制备装置，其特征在于，上述臭氧气体喷嘴为朝向向上述移送式反应器供给碳黑的方向喷射臭氧气体的放射形喷嘴。

5.一种碳黑制备装置，其特征在于，

包括：

第一反应器，用于形成未粉碎碳黑；

粉碎机，用于粉碎在上述第一反应器中形成的未粉碎碳黑；

制粒机，对上述碳黑混合物进行制粒来形成粒化的碳黑；

干燥机，用于使上述粒化的碳黑干燥；以及

上述移送管道中至少一个为移送式反应器，

上述第四移送管道包括：

螺杆，用于单方向移送供给到上述第四移送管道的碳黑；

6.根据权利要求5所述的碳黑制备装置，其特征在于，上述臭氧气体注入口设置于上述移送式反应器的内周面。

7.根据权利要求5所述的碳黑制备装置，其特征在于，上述臭氧气体注入口插入上述螺杆的旋转轴。