JP2907449B2 - カーボンブラックの製造装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、カーボンブラックを製造する方法及び反応
装置、より詳しくは、反応装置で製造されるカーボンブ
ラックの粒度分布を制御する方法及び軸方向流反応装置
に関する。

〔従来の技術〕

カーボンブラックは、高温燃焼ガス流中に典型的には
オイルの形で導入された炭化水素を熱分解することによ
って製造される。熱分解反応は、反応装置として知られ
る耐火性の円筒状構造物中で行われる。

カーボンブラックの商業的生産は、一般に接線方向流
反応装置及び軸方向流反応装置の２種の異なった反応装
置のいずれかで行われる。その名称は反応装置内の燃焼
ガスの流れのパターンを表している。両種とカーボンブ
ラック反応装置とも当業者によく知られている。一般的
に言うと、軸方向流反応装置は特定の用途、特にカーボ
ンブラック生成物の粒度分布制御が一定の比較的狭い範
囲内に維持されなければならないような用途を目的とす
るカーボンブラックを作るのに適している。例えば、タ
イヤ会社はレーシング用や高性能のタイヤを製造するの
に非常に粒度分布の狭いカーボンブラックを必要とし、
そこではタイヤの静止摩擦が先ず要求される。レーシン
グ用タイヤを作るためのカーボンブラックは、それ故、
比較的狭い粒度分布（数値ファクターである着色性（ti
nt）として又知られており、その数値は粒度分布が小さ
くなるにつれて増加する）のものでなければならない。

〔発明が解決しようとする課題〕

比較的狭い粒度分布を有するカーボンブラックは、こ
れまで軸方向流反応装置によって１以上の原料オイル流
を高温燃焼ガス流の中へ半径方向に導入することによっ
て製造されている。この装置はガス流中にオイルの比較
的急速な拡散を引き起こし、それ故、全ての原料オイル
は実質的に同じ温度条件で、即ち実質的に反応装置内の
同じ位置で熱分解される。半径方向の導入は、オイルの
高温ガスとの迅速な混合を達成させて反応装置の頚部内
で短い火焔を生じさせるための一般的な方法である。そ
れにより、非常に狭い粒度分布のカーボンブラックがも
たらされ、即ちカーボン粒子の同じ構造及び表面積につ
いて着色性がより高くなる。別のある種の用途に用いら
れるカーボンブラックはもっと低い着色性、つまり、よ
り広い粒度分布を有するであろう。その様なカーボンブ
ラックは原料の反応時間を短縮するよりむしろ増加させ
るように設計された反応装置で製造される。しかし、２
種類のカーボンブラックのために別々の反応装置を使用
するのはコスト高になる。しかしながら、半径方向注入
による通常の軸方向反応装置で一般的に得られるより高
い着色性のカーボンブラックに対する需要がある。更
に、従来の円形断面の反応装置中への原料オイルの半径
方向注入は、もし注入圧と軸方向のガス速度とが適切に
つりあっていなければ、反応装置内壁の浸食や粗粒物を
生じさせる。

従って、本発明の目的は、カーボンブラック製造のた
めの改良装置を提供することである。

本発明の他の目的は、制御された方法で粒度分布を大
きく或いは小さくするような柔軟性をもたせた改良され
た軸方向流反応装置を提供することである。

本発明の更に他の目的は、比較的狭い又は比較的広い
粒度分布でカーボンブラックを製造する改良された軸方
向流反応装置を提供することである。

本発明の更に他の目的は、反応装置の頚部中のガス流
の断面領域をより完全に利用し得るようにするカーボン
ブラック反応装置を提供することである。

本発明の更に他の目的は、比較的狭い又は比較的広い
粒度分布を有するカーボンブラックを作る改良方法を提
供することである。

〔課題を解決するための手段及び作用〕

前述の目的及び他の目的は本発明によって達成され
る。比較的一般的な表現で述べると、この発明は、反応
室中の高温ガス流の方向と実質的に逆又は同方向に炭化
水素原料噴霧物が反応装置中へ導入されるカーボンブラ
ック反応装置よりなる。炭化水素原料オイルの流れが逆
方向であると、ガス流中の炭化水素噴霧物の拡散速度が
増加し、それによって、反応装置で製造されるカーボン
ブラック粒子の粒度分布が狭くなる。同方向の原料炭化
水素流では拡散速度が減少し、原料の反応時間が延び、
粒度分布が大きくなる。

より具体的に述べると、本発明に係るカーボンブラッ
ク反応装置は、反応室の内壁から内部へ半径分の距離を
有して設けられた噴霧ノズルを含んでいる。噴霧ノズル
は反応室の長手方向の軸とほぼ同軸の道筋に沿った方向
にオイルの噴霧を向ける。このオイル噴霧は、流れと逆
方向つまり反応室中の近づいてくる高温ガス流に面して
上流方向に、又はその反対に、ガス流と同方向つまり下
流方向のどちらかに向けられる。そしてこのオイル噴霧
は長手方向の軸に対して対称であるのが好ましい。この
ようにすると、逆方向の噴霧は反応室中の高温ガス流の
前面領域のほぼ全体に及び、それによってオイル噴霧が
及ぶ高温ガスの前面断面領域が増大する。そのため、原
料の反応時間は減少し、生じるカーボンブラックの着色
性は増加する。逆方向への噴霧の流れと比べると、ガス
流と同方向へのオイル噴霧は概して高温ガス流の前面領
域全体より実質的に小さい範囲にしか及ばず、原料の反
応時間を増加させる。このようにして、本発明による反
応装置は、円形断面の反応装置中への半径方向のオイル
注入に結びついた欠点を有することなく、反応室内のオ
イル噴霧と相補的な円形断面領域を有することができ
る。

本発明の性質は、他の目的及び利点と同様、以下の好
適な実施態様の記述からより容易に明らかになるであろ
う。

〔実施例〕

第１図において、軸方向流カーボンブラック反応装置
が符号10で概略的に図示されている。反応装置10は燃焼
室11を含んでおり、この燃焼室は適切な燃焼燃料を燃料
入口12で受け入れ、燃焼室内の燃焼を維持するためにエ
アーを入口13で受け入れる。燃焼室内での燃料の燃焼に
よって形成された高温ガスは、円筒状の頚部17を有する
反応室へ通じる収束領域16を通過する。頚部17の出口端
部は、通常、頚部に比べて直径が大きい反応室18に接続
されており、その反応室で原料オイルの熱分解が起こ
り、カーボンブラック生成物が生じる。

原料オイルは頚部内に設けられる噴霧ノズル22によっ
て反応装置頚部17へ導入される。噴霧ノズル22は、長手
方向の中心線、即ち頚部17及び反応装置10全体の軸と実
質的に同軸状に設けられている。噴霧ノズル22はオイル
給送管23に接続され、適切な原料オイル源を受け入れ
る。このオイル供給は当業者によく知られているのでこ
こには示されていない。噴霧ノズル22は、頚部内にオイ
ルの噴霧を高温ガスの流れと逆方向に向けるようにして
制御されている。つまり噴霧は、反応装置の収束領域16
から頚部へ流れている高温ガスに抗して上流方向に向け
られている。

反応装置10の頚部17は第３図により詳しく示されてい
る。頚部17は一対の同心円状の耐火性ライジング26を備
えており、これは第３図に示されるように断面がほぼ円
形の内壁27を好適に有している。内壁周面全体について
内壁27から噴霧ノズルが当距離に位置するように、噴霧
ノズル22は頚部17の長手方向中心とほぼ同軸状に設置さ
れている。

反応装置10の動作の際、当業者に知られているよう
に、燃焼室11からの高温ガスは実質的に軸方向に頚部17
中へ流れる。原料オイルは給送管23を通してポンプで送
られ、高温ガスの流れと逆方向に向いてノズル22から現
れ、頚部17の長手方向軸に対称なオイルの噴霧パターン
を描く。この噴霧パターン28は、このようにして頚部17
を通る高温ガス流のほぼ断面領域全体に及び、それによ
ってオイル噴霧の高温ガス流との迅速な混合を増進す
る。この迅速な混合によって短い火焔が得られ、短い火
焔により、カーボン粒子の同じ構造及び表面活性につい
て、非常に狭い粒度分布を有した、つまり高い着色性の
カーボンブラック粒子が生じる。対称な噴霧パターン
は、小さく即ち頚部の周部全域で内壁27に接触するのを
避けるように調節することができる。それによって、比
較的高温の内壁に接触する原料噴霧物の熱的衝撃によっ
て通常生じる反応装置の粗粒物を減少させ、或いは避け
ることができる。

本発明に従った軸方向の逆方向オイル噴霧器を有した
試験的な軸方向反応装置を組立て、操作した。その試験
装置の結果を以下の第１表に示す。第１表において、
「通常」の列は、耐火性内壁に直に付設されて内壁から
反応室の軸の方へ内方へ半径方向にオイル噴霧を注ぐ半
径方向オイル噴霧器を有する従来の軸方向流反応装置の
通常の操作によるものを表示する。その右側の列は本発
明によって組立てられた試験反応装置の操作によるデー
タを示す。

このテストの結果は、着色性、つまり粒度分布の目安
が約５単位増加したことを示している。これは、当業者
に知られている方法で着色残差（tint residual）を計
算することによって得られる粒度分布が、狭くなってい
ることを表わす。この残差は通常の反応装置においては
０で、試験装置においては＋４である。つまり、この数
値が大きい程、粒度分布が狭くなる。

CTAB値（粒径の目安）と粒子構造（DBP吸収によって
示される）は本質的に一定のままである。

両装置で製造されるカーボンブラック粒子は電子顕微
鏡で測定された。通常の反応装置で製造された粒子は表
面積値が高かったが、不均一指数（HI）で示されるよう
に、試験反応装置で製造された粒子は粒度分布が狭くな
った。不均一指数は１に近くなるほど分布が狭い。

オイル給送管23は、管の上にオイルが付着するのを防
ぐための特別な設備が必要である。これは第５図から第
７図に示されるように、オイル噴霧器に沿って並んだ一
連の小孔を有するエアージャケット管を用いて、管の周
りにエアーカーテンを形成することによって達成され
る。エアーカーテンは、オイルの小滴をオイル管の周囲
から反らし、反応装置内でコークスを生じさせるもとに
なるオイルの付着を防止する。オイル給送管23はエアー
パイプ33の内側に同心状に配置されたオイル供給管32を
備えている。オイル供給管32は上述したように適切な原
料オイルの供給を受け、そのオイルを噴霧ノズル22に供
給する。外側のエアーパイプ33は圧力がかかった適切な
エアー供給部に接続されている。多数の出口孔34が反応
装置中を通過する高温ガス流に対向するようにエアーパ
イプ33の側面に形成されている。噴霧ノズル22に隣接し
た端部で閉じられているエアーパイプ33に入ったエアー
は出口孔34を通って排出される。この排出エアーは反応
装置頚部に向かってくる高温ガス流に対向し、エアーパ
イプの外側周囲を後に反らせて、ノズル22からのオイル
噴霧28の付近にエアーパイプの周囲を流れるエアーカー
テン37を形成する。このエアーカーテン37はオイルの小
滴をオイルパイプの周りに反らせてオイルがパイプに衝
突するのを防ぎ、こうして、反応装置内にコークスを生
じさせる原因となるオイルの付着を減少させ、あるいは
無くする。エアーパイプ35の出口孔34は第６図に小さい
円形の開口部として示されているが、遮蔽された出口や
細長いスリットも出口開口部としての他の可能な形状で
ある。

第４図は反応室の頚部17を通過する高温ガス流の方向
と同じ方向に原料の流れを変更した場合の本発明の実施
態様を示す。ここでは、22aで示されている噴霧ノズル
は頚部17内で180゜回転し、頚部内を下流の方へ向けて
頚部の長手方向の軸と同軸状にオイルスプレー28aを導
入する。頚部内の同方向のガス流の効果は、オイル噴霧
物28aの拡散を少なくするので、そのオイル噴霧はガス
流の前面での領域全体より実質的に小さい範囲にしか及
ばない。結果として、原料オイルはガス流と混合して第
１図から第３図に示される逆方向の実施態様の場合より
遅く反応する。これにより、比較的広い粒度分布のカー
ボンブラック粒子が製造される。第１図から第３図と第
４図の実施態様は、構造的には原料噴霧ノズル22及び22
aの方向のみが異なり、その方向は容易に同一反応装置
内で変えることができる。

前述のものは発明の最適な実施態様にのみ関するもの
であり、多数の修正及び変更が特許請求の範囲に規定さ
れる発明の範囲及び精神から逸脱すること無く成される
ものであると解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施態様による軸方向反応装置
の概略図である。 第２図は第１図の反応装置の反応室を示す拡大断面図で
ある。 第３図は第２図の３−３線に沿った断面図である。 第４図は第２図について本発明の同方向流の実施例を示
す図である。 第５図は本発明の好適な実施態様のエアージャケットを
有するオイル給送管の断面図である。 第６図は第５図のオイル給送管を図示する部分切欠き正
面図である。 第７図はエアージャケットを有する管の動作を概略的に
示す第６図の７−７線に沿った断面図である。 11……燃焼室、17……頚部 22……噴霧ノズル、23……オイル給送管 28,28a……オイル噴霧 27……エアーカーテン

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温ガス源と、高温ガス流を受け入れる入
   り口を有し且つ高温ガス流が反応室を出るときに通過す
   る出口開口部を有する反応室とを備えるカーボンブラッ
   ク製造装置において、 炭化水素噴霧を反応室内へ実質的に高温ガス流と平行且
   つ反対方向に導入する手段を備え、それにより炭化水素
   噴霧物の高温ガス流への拡散速度を増加させて製造され
   るカーボンブラック粒子の粒度分布を狭くすることを特
   徴とする装置。
2. 【請求項２】上記噴霧導入手段が反応室の長手方向の軸
   と同軸の対称な噴霧パターンを生じさせ、それによって
   反応室中を流れる高温ガスの実質的に断面領域全体に噴
   霧物が及ぶ請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】前記反応室が内壁で画成されており、 上記噴霧導入手段が、反応室表面から半径方向内方に十
   分な距離だけ隔離されている噴霧ノズルと、オイルの供
   給を受け且つ噴霧ノズルにつながるように内壁を貫通し
   て内方向に伸びている管とを備えている 請求項１記載装置。
4. 【請求項４】前記反応室を通る前記高温ガスがほぼ円形
   の断面領域を有するように、反応装置を画成する前記内
   壁は円形断面を有し、 前記噴霧ノズルが、対称な噴霧パターンを生じさせるよ
   うに動作し、前記反応装置の長手方向軸と同軸上の道筋
   に沿って逆方向に対称なオイル噴霧を向けるように配置
   されることにより、噴霧が反応室中を通る高温ガスの実
   質的に断面領域全体に及び、それによりオイル噴霧によ
   るガス流領域の範囲が増大する 請求項３記載の装置。
5. 【請求項５】上記管にオイルが付着するのを防ぐために
   管の周囲にエアージャケットを供給するための、管と結
   合される手段を有する 請求項３記載の装置。
6. 【請求項６】反応室中に高温ガス流を供給する段階を有
   するカーボンブラック製造方法において、 ガス流と実質的に逆方向に炭化水素噴霧をガス流へ導入
   する段階を有し、それによって炭化水素噴霧物のガス流
   への拡散速度を増加させて、得られるカーボンブラック
   粒子の粒度分布を狭くすることを特徴とする方法。
7. 【請求項７】長手方向軸と同軸且つ対称な噴霧パターン
   を生じさせ、それによって炭化水素噴霧が反応室中を流
   れる高温ガスの断面領域の実質的に全体に及ぶ請求項６
   記載の方法。
8. 【請求項８】高温ガス流の製造を動作可能な燃焼室と、
   反応室中を高温ガスが流れるように高温ガス流を受ける
   入口を有し且つ出口開口部を有する反応室とを有するカ
   ーボンブラック製造装置において、 原料炭化水素の供給を受けるように接続されて、反応室
   中へ半径方向に延びている管と、 反応室内で該管に接続され、原料炭化水素を高温ガス流
   とほぼ平行に軸方向に反応室中へ導入すべく動作可能な
   手段を備え、 それによって製造されるカーボンブラック粒子の粒度分
   布が制御されるカーボンブラック製造装置。
9. 【請求項９】前記手段が反応室中を流れる高温ガス流と
   実質的に逆方向に原料炭化水素を導入し、そのために、
   導入された原料炭化水素が高温ガスの前面の断面領域の
   ほぼ全体に及び、それによってガス流中の炭化水素の拡
   散速度が増加して、得られるカーボンブラックの粒度分
   布が狭くなることをさらに特徴とする請求項８記載の装
   置。
10. 【請求項１０】前記手段が反応室を流れる高温ガス流と
    実質的に同方向に原料炭化水素を導入し、そのために、
    導入された原料炭化水素が高温ガスの前面の断面領域よ
    り実質的に小さい領域に及び、それによってガス流中の
    炭化水素噴霧物の拡散速度が減少し、得られるカーボン
    ブラックの粒度分布が広くなることをさらに特徴とする
    請求項８記載の装置。
11. 【請求項１１】上記反応室が内壁で画成されており、上
    記管が反応装置の外側から内壁を貫通して半径方向に延
    びており、 上記手段が、上記管に接続され且つ反応室の長手方向軸
    と同軸上に位置する噴霧ノズルを備える請求項８記載の
    装置。