JP7412986B2 - カーボンブラックの製造装置及びカーボンブラックの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンブラックの形成及びカーボンブラックに対する活性化を連続して行える装置及び方法に関する。
通常、カーボンブラックに対する改質処理は、原料の炭化水素からカーボンブラックを製造した後、製造済みカーボンブラックを別途改質用反応器へ移して、後続工程として改質処理する方法が知られている。
この場合、反応器の容量に合わせて製造されたカーボンブラックの一定量を繰り返して移さなければならないため、大量の生産が不可能であり、工程時間が長くなる問題点がある。また、別途反応器へカーボンブラックを移す追加工程が必要であり、これは最終に改質処理されたカーボンブラックの均一度（ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）を下げるか、収率が低下する問題を引き起こし得る。
これにより、最近は、比表面積の大きいカーボンブラックを製造するために、カーボンブラックを形成するため燃料油と原料油が投入される燃焼反応器により、カーボンブラックを活性化するための水蒸気を投入する方法が使用されている。
しかしながら、上記方法は、燃焼反応器へ投入される水蒸気が焼入れ液として作用し、カーボンブラックの形成反応を早期に終決させて、カーボンブラックの形成収率を低下させるか、均一な物性を有するカーボンブラックの製造に適していないという問題がある。
上述した技術的背景下で、本発明は、カーボンブラックの改質（特に、比表面積を増加させる活性化）のため、別途改質用反応器を設ける必要がなく、既存のカーボンブラックを形成する燃焼反応器において、カーボンブラックに対する改質処理を連続して行えるカーボンブラックの製造装置、及びこれを用いてカーボンブラックを製造する方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、燃焼反応器で形成されたカーボンブラックをスラーリ化し、さらに燃焼反応器へ繰り返して還流させて、改質処理を連続して行うことにより、カーボンブラックを活性化するための足りる残留時間を確保することが可能なカーボンブラックの製造装置、及びこれを用いてカーボンブラックを製造する方法を提供することを目的とする。
本発明の目的は、以上に言及した目的に制限されないし、言及していない本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解されるし、本発明の実施例によってより明らかに理解される。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示した手段及びその組み合わせによって実現できることが分かりやすい。
本発明の一側面によれば、カーボンブラック粉末を形成する燃焼反応器、前記燃焼反応器の下流に位置し、前記燃焼反応器で形成されたカーボンブラック粉末と分散媒を混合して、カーボンブラックスラーリを形成する混合部、及び前記混合部の下流に位置し、前記混合部で形成されたカーボンブラックスラーリを前記燃焼反応器へ還流させる還流部、とを含むカーボンブラックの製造装置が提供される。
本発明によれば、カーボンブラックの改質（特に、比表面積を増加させる活性化）のため、別途改質用反応器を設ける必要がなく、既存のカーボンブラックを形成する燃焼反応器によりカーボンブラックに対する改質処理を連続して行えることによって、簡素なカーボンブラックの製造装置を具現することができる利点がある。
前述した目的、特徴及び長所は、添付の図面を参照して詳細に後述され、これにより、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明の技術思想を容易に実施することができる。本発明を説明するにあたって、本発明に係る公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすると判断される場合には詳細な説明を省略する。
以下における構成要素の上流（又は下流）に任意の構成が配置されるということは、任意の構成が前記構成要素の上流（又は下流）に直ぐに配置されるだけでなく、上流に配置した構成要素と下流に配置された構成要素の間に他の構成要素が介在し得ると理解しなければならない。
また、ある構成要素が他の構成要素に連結、結合又は接続されると記載した場合、前記構成要素は、互いに直接に連結されるか、２つの構成要素の間に他の構成要素が介在するか、各構成要素が他の構成要素を介して連結、結合又は接続され得ると理解しなければならない。
以下では、本願に添付した図面を参考して、本発明の幾つかの実施例によるカーボンブラックの製造装置及びカーボンブラックの製造方法を説明する。
第１実施例
図１は、本発明の一実施例によるカーボンブラックの製造装置の構成を概略に示したものである。
図１は、本発明の一実施例によるカーボンブラックの製造装置の構成を概略に示したものである。
図１を参照すれば、本発明の一実施例によるカーボンブラックの製造装置１００は、カーボンブラック粉末を形成する燃焼反応器１１０を含む。
燃焼反応器１１０は、原料油、燃料油及び燃焼促進ガスが投入された後、不完全燃焼して、カーボンブラック粉末を形成する反応器であり、第１の反応帯域１１０ａ、第２の反応帯域１１０ｂ及び第３の反応帯域１１０ｃとに区画され得る。
本願で用いられる燃焼反応器１１０は、反応が起きる位置を定義するため便宜上、第１の反応帯域１１０ａ、第２の反応帯域１１０ｂ及び第３の反応帯域１１０ｃとに区画されたものであり、本願における燃焼反応器１１０は、上述した反応帯域のほか、さらに反応帯域を含むか、第１の反応帯域１１０ａと第２の反応帯域１１０ｂの間に他の反応帯域が介在するか、第２の反応帯域１１０ｂと第３の反応帯域１１０ｃの間に他の反応帯域が介在し得ると理解しなければならない。
第１の反応帯域１１０ａには燃料油、原料油及び燃焼促進ガスが投入され、燃料油、原料油及び燃焼促進ガスは、同時に又は順次に投入されてもよい。第１の反応帯域１１０ａに投入された燃料油、原料油及び燃焼促進ガスは、反応によってカーボンブラック粉末を形成することができる。図１には別途示していないが、燃料油及び原料油は、それぞれ貯蔵タンク内に別途貯蔵されてもよく、貯蔵タンクに連結されたポンプにより第１の反応帯域１１０ａへ供給されてもよい。
本願で用いられる燃料油は、カーボンブラック粉末を生成する反応温度に至るために燃焼する燃料であり、カーボンブラック粉末を製造するため通常に用いられる燃料を含んでいてもよい。燃料油の非制限的な例としては、軽油、灯油、バンカーＣ油、石油系ＦＣＣ、ＥＢＯ、クレオソート、ソフトピッチ、石炭系コールタール、ナフタレン、カルボキシル酸、ＦＣＣ等の液体燃料、天然ガス及び石炭ガス等がある。
本願で用いられる原料油は、カーボンブラック粉末のシード（ｓｅｅｄ）を生成する物質であり、カーボンブラック粉末を製造するため通常に使用される原料を含んでいてもよい。原料油の非制限的な例としては、ガソリン、経由、燈油、バンカーＣ油、石油系ＦＣＣ、ＥＢＯ、クレオソート、ソフトピッチ、石炭系コールタール、ナフタレン、カルボキシル酸、ＦＣＣ等の液体原料、天然ガス及び石炭ガス等がある。
燃焼促進ガスは、燃料油の燃焼を促進するためのガスであり、空気又は酸素であってもよい。
さらに、本願における第１の反応帯域１１０ａは、高温の燃焼促進ガスを用いて燃料油を燃消させて、燃焼ガス類を形成すると共に、カーボンブラック粉末を生成する反応温度に至るようにする反応帯域と、燃焼ガス類に原料油を反応させて、カーボンブラック粉末を形成する反応帯域とに区画されてもよい。
一般に、燃焼ガス類を形成する反応帯域の温度は、１，６００℃以上であることが好ましく、燃焼ガス類の温度が高いほど、カーボンブラック粉末の生産性が向上し得る。ただし、燃焼ガス類の温度は、高いほど良いが、燃焼反応器の耐熱性を考慮して、１，６００℃以上の温度で適宜決定されてもよい。また、燃焼ガス類と原料油が反応する反応帯域の温度は、燃焼ガス類を形成する反応帯域と同様、カーボンブラック粉末の生産性を考慮して、１，６００℃以上であることが好ましい。
第２の反応帯域１１０ｂは、第１の反応帯域１１０ａの下流に位置し、後述する混合部１４０で形成されたカーボンブラックスラーリが投入され、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末が活性化する区間である。
本願におけるカーボンブラックの活性化は、高温でカーボンブラックと水蒸気（スチーム）との反応によって、カーボンブラックの表面に孔が形成される改質処理を意味する。
第３の反応帯域１１０ｃは、第２の反応帯域１１０ｂの下流に位置し、第１の反応帯域１１０ａで形成されるか、第２の反応帯域１１０ｂで活性化したカーボンブラック粉末を後続工程に移送する前、所定の温度以下（例えば、６００℃～９５０℃）に低くするために、カーボンブラック粉末に焼入れ液（一般に、水）を噴射する区間である。相対的に高温であるカーボンブラック粉末に焼入れ液を噴射する場合、焼入れ液が蒸発することによって、カーボンブラック粉末の温度を低くすることができるようになる。
一方、上述した第１の反応帯域１１０ａ、第２の反応帯域１１０ｂ及び第３の反応帯域１１０ｃの具体的な温度は、求められるカーボンブラック粉末の物性等に応じて適宜変更されてもよい。
燃焼反応器１１０で形成されたカーボンブラック粉末は、燃焼反応器１１０の下流に位置する貯蔵部１２０へ移送されてもよい。カーボンブラック粉末を移送するために、燃焼反応器１１０と貯蔵部１２０は、移送配管で連結されてもよく、移送配管に設置された移送式ホッパー、スクリュー又はエアブロワ等によりカーボンブラック粉末が移送されてもよい。
貯蔵部１２０に一時的に貯蔵されたカーボンブラック粉末は、異物除去部１３０を経て混合部１４０に移送されてもよい。カーボンブラック粉末を移送するために、貯蔵部１２０と異物除去部１３０、異物除去部１３０と混合部１４０は、移送配管で連結されてもよく、移送配管に設置された移送式ホッパー、スクリュー又はエアブロワ等によりカーボンブラック粉末が移送されてもよい。
また、貯蔵部１２０は、燃焼反応器１１０で形成されたカーボンブラック粉末を一時的に貯蔵する区間であり、必要に応じて省略されてもよい。すなわち、燃焼反応器１１０で形成されたカーボンブラック粉末は、移送配管を介して混合部１４０に直接に移送されるか、異物除去部１３０を経て混合部１４０に移送されてもよい。
燃焼反応器１１０又は貯蔵部１２０の下流に位置する混合部１４０は、異物が除去されたカーボンブラック粉末と分散媒を混合して、カーボンブラックスラーリを形成する。
本実施例におけるカーボンブラックスラーリは、分散媒の中にカーボンブラック粉末が分散されたスラーリを意味し、カーボンブラック粉末を分散させるための分散媒は、好ましくは、水を用いることができる。
一実施例において、カーボンブラックスラーリは、１０重量％～５０重量％のカーボンブラック粉末と、５０重量％～９０重量％の分散媒を含んでいてもよく、カーボンブラックスラーリの粘度は、２００ｃｐｓ以下、好ましくは、１５０ｃｐｓ以下であってもよい。
カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末の含量が５０重量％を超える場合、カーボンブラックスラーリの粘度が高くなり過ぎて、カーボンブラックスラーリの移送難易度が増加し得るし、第２の反応帯域１１０ｂへカーボンブラックスラーリを噴射する際、噴射ノズルが詰まるおそれがある。
混合部１４０は、カーボンブラック粉末と分散媒を相対的に高速（例えば、１，０００ｒｐｍ～２，０００ｒｐｍ）に混合するプレミキサー１４０ａと、プレミキサー１４０ａの下流に位置し、プレミキサー１４０ａで高速に混合したカーボンブラックスラーリを相対的に低速（５０ｒｐｍ～２００ｒｐｍ）に混合しながら、カーボンブラックスラーリの中に固まっているカーボンブラック粉末を物理的に粉碎するビーズミル１４０ｂとを含んでいてもよい。混合部１４０は、プレミキサー１４０ａとビーズミル１４０ｂを両方とも含むか、２つの混合手段のうち１つのみを含んでいてもよい。
混合部１４０の下流に位置する還流部１５０は、混合部１４０で形成されたカーボンブラックスラーリを貯蔵すると共に、カーボンブラックスラーリを第２の反応帯域１１０ｂへ還流させる。カーボンブラックスラーリを移送するために、混合部１４０と還流部１５０、還流部１５０と第２の反応帯域１１０ｂは、移送配管で連結されてもよく、移送配管に設置されたポンプ等によりカーボンブラックスラーリが移送されてもよい。
還流部１５０内のカーボンブラックスラーリの温度は、カーボンブラックスラーリ中の分散媒の気化を防ぐために１００℃未満、好ましくは、５０℃～８０℃であってもよい。また、還流部１５０は、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末の分散性が低下することを防ぐために、撹拌手段をさらに含んでいてもよい。
移送配管を介して還流部１５０において、第２の反応帯域１１０ｂへ移送されたカーボンブラックスラーリは、第２の反応帯域１１０ｂの内周面に配置された噴射ノズル等のような手段によって、燃焼反応器１１０内へ噴射されてもよい。カーボンブラックスラーリは、第２の反応帯域１１０ｂへ還流されることにより、カーボンブラック粉末が形成される第１の反応帯域１１０ａには影響を与えない。もし第１の反応帯域１１０ａにおいて、カーボンブラック粉末が形成されても、その量が少ないため、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末の物性等に影響を与えない可能性が大きい。
燃焼反応器１１０内へ噴射されるカーボンブラックスラーリの温度は、１００℃未満、好ましくは、５０℃～８０℃であってもよく、カーボンブラックスラーリの噴射圧力は、１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下であってもよい。
上述したように、第２の反応帯域１１０ｂは、還流部１５０によってカーボンブラックスラーリが還流されて、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末が活性化する区間である。
本実施例において、カーボンブラック粉末の活性化は、高温でカーボンブラックと水蒸気（スチーム）との反応によって、カーボンブラック粉末の表面に孔が形成されることで、比表面積が向上する改質処理を意味する。カーボンブラック粉末は、高温で水蒸気（スチーム）と接触することにより、表面に存在する欠陥部分、すなわち、非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）部分を中心に酸化して、表面の炭素がＣＯ又はＣＯ２状に離脱し、これによってカーボンブラック粉末の表面に孔が形成される。
このとき、カーボンブラック粉末を活性化するために必要な酸化剤として水蒸気は、カーボンブラックスラーリ中の分散媒として用いられた水が、第２の反応帯域１１０ｂ内の高温雰囲気温度下で気化することによって確保され得る。これにより、本発明の一実施例によれば、カーボンブラック粉末を活性化するために、燃焼反応器１１０内へ水蒸気を供給する別途手段が不要である利点がある。
カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末を活性化するために、燃焼反応器１１０内のカーボンブラック粉末の表面と水蒸気が反応するために必要な高温雰囲気を形成する必要がある。
このため、還流部１５０において、第２の反応帯域１１０ｂへカーボンブラックスラーリを還流させるとき、燃焼反応器１１０内の高温雰囲気（１，１００℃～１，７００℃）を形成する必要がある。これにより、第１の反応帯域１１０ａへ燃料油と燃焼促進ガスを投入して反応させることで、燃焼反応器１１０の内部温度を上昇させることができる。
よって、還流部１５０において、第２の反応帯域１１０ｂへカーボンブラックスラーリを還流させるとき、燃焼反応器１１０内の高温雰囲気を形成するために、第１の反応帯域１１０ａに投入される燃料油の流量は、第１の反応帯域１１０ａへ投入される燃焼促進ガスの流量の１０％以下、好ましくは、３％～１０％であることが好ましい。
一方、カーボンブラック粉末は、燃焼促進ガス（例えば、酸素）が存在する高温雰囲気（一般に、４００℃以上）下で燃焼するため、カーボンブラックスラーリを第２の反応帯域１１０ｂへ還流させる前、燃焼反応器１１０内の燃焼促進ガスが存在する場合、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末が熱分解し得る。
よって、燃焼反応器１１０内に存在する過量の燃焼促進ガスを使いきれるために、第１の反応帯域１１０ａへ燃料油及び燃焼促進ガスのみならず、原料油を投入する必要がある。このとき、燃焼反応器１１０内に存在する過量の燃焼促進ガスを使いきれるために、第１の反応帯域１１０ａへ投入される原料油の流量は、第１の反応帯域１１０ａへ投入される燃料油の流量の１倍～３内であることが好ましい。
上述したように、還流部１５０を介して第２の反応帯域１１０ｂへカーボンブラックスラーリを還流させると、カーボンブラックスラーリ中の分散媒は、全て気化して、カーボンブラック粉末を活性化するための酸化剤として作用する。
カーボンブラック粉末の活性化によって、カーボンブラック粉末の表面に形成される孔は、直径に応じて２ｎｍ未満の直径を有するマイクロ孔、２ｎｍ～５０ｎｍの間の直径を有するメゾ孔、５０ｎｍを超える直径を有するマクロ孔とに区分される。一般に、高伝導性のカーボンブラック粉末を製造するためには、カーボンブラック粉末の表面にマイクロ孔及びマクロ孔に対し、相対的に多くのメゾ孔を誘導することが有利である。また、カーボンブラックを伝導性樹脂と混合して用いる場合、カーボンブラックの表面に存在するマイクロ孔には、伝導性樹脂が十分に含浸しないため、カーボンブラックと伝導性樹脂の混和性を向上させるためには、カーボンブラックの表面にメゾ孔が存在することが好ましい。
カーボンブラック粉末の表面に、マイクロ孔及びマクロ孔に対し、相対的に多くのメゾ孔を誘導するために、第２の反応帯域１１０ｂで行われるカーボンブラック粉末を活性化するための足りる残留時間を確保する必要がある。
本実施例によれば、カーボンブラック粉末に対する活性化処理を連続して行うことにより、カーボンブラック粉末を活性化するための足りる残留時間を確保することができる。
このため、第１の反応帯域１１０ａで最初形成された後、第３の反応帯域１１０ｃで焼入れたカーボンブラック粉末は、経路（ａ）に沿って混合部１４０でカーボンブラックスラーリを形成し、第２の反応帯域１１０ｂへ還流される過程を複数回経ることができる。第２の反応帯域１１０ｂへ還流される数が増加するほど、カーボンブラック粉末の活性化度合いが向上し得る。第２の反応帯域１１０ｂへカーボンブラック粉末を還流する繰り返した回数は、求められるカーボンブラック粉末の特性に応じて適宜調節されてもよい。
次いで、カーボンブラック粉末に対する活性化が十分に行われた場合、カーボンブラック粉末は、第３の反応帯域１１０ｃで焼入れた後、経路（ｂ）に沿って後続工程１６０へ移送されてもよい。
後続工程１６０は、活性化処理済みカーボンブラック粉末から異物を除去する工程、カーボンブラック粉末をペレット化する工程、及びカーボンブラック粉末を包装する工程等を含んでいてもよい。
第２実施例
図２は、本発明の他の実施例によるカーボンブラックの製造装置の構成を概略に示したものである。
図２は、本発明の他の実施例によるカーボンブラックの製造装置の構成を概略に示したものである。
図２を参照すれば、本発明の一実施例によるカーボンブラックの製造装置２００は、カーボンブラック粉末を形成する燃焼反応器２１０を含む。
燃焼反応器２１０は、原料油、燃料油及び燃焼促進ガスが投入された後、不完全燃焼して、カーボンブラック粉末を形成する反応器であり、第１の反応帯域２１０ａ、第２の反応帯域２１０ｂ及び第３の反応帯域２１０ｃとに区画されてもよい。
第１の反応帯域２１０ａには、燃料油、原料油及び燃焼促進ガスが投入され、燃料油、原料油及び燃焼促進ガスは、同時に又は順次に投入されてもよい。第１の反応帯域２１０ａに投入された燃料油、原料油及び燃焼促進ガスは、反応によってカーボンブラック粉末を形成することができる。
第２の反応帯域２１０ｂは、第１の反応帯域２１０ａの下流に位置し、後述する混合部２７０で形成されたカーボンブラックスラーリが投入されて、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラックペレットが活性化する区間である。
第３の反応帯域２１０ｃは、第２の反応帯域２１０ｂの下流に位置し、第１の反応帯域２１０ａで形成されるか、第２の反応帯域２１０ｂで活性化したカーボンブラック粉末を後続工程へ移送する前、所定の温度以下（例えば、６００℃～９５０℃）に低くするために、カーボンブラック粉末に焼入れ液（一般に、水）を噴射する区間である。
燃焼反応器２１０で形成されたカーボンブラック粉末は、燃焼反応器２１０の下流に位置する異物除去部２２０へ移送されてもよい。カーボンブラック粉末を移送するために、燃焼反応器２１０と貯蔵部２２０は、移送配管で連結されてもよく、移送配管に設置された移送式ホッパー、スクリュー又はエアブロワ等によりカーボンブラック粉末が移送されてもよい。ここで、貯蔵部２２０は、燃焼反応器２１０で形成されたカーボンブラック粉末を一時的に貯蔵する区間であり、必要に応じて省略されてもよい。
貯蔵部２２０に一時的に貯蔵されたカーボンブラック粉末は、異物除去部２３０を経て、カーボンブラック粉末を一定大きさに粉碎する粉砕部２４０へ移送されてもよい。粉砕部２４０で粉砕されたカーボンブラック粉末は、カーボンブラック粉末をペレット化する前、カーボンブラック粉末と水とを混合して、一次にカーボンブラックスラーリを形成する副混合部２５０に移送されてもよい。カーボンブラック粉末を移送するために、貯蔵部２２０と異物除去部２３０、異物除去部２３０と粉砕部２４０、粉砕部２４０と副混合部２５０は、移送配管で連結されてもよく、移送配管に設置された移送式ホッパー、スクリュー又はエアブロワ等によりカーボンブラック粉末が移送されてもよい。次いで、副混合部２５０で形成されたカーボンブラックスラーリは、ペレタイザー２６０へ移送されて、カーボンブラックペレットにペレット化される。
ペレタイザー２６０で形成されたカーボンブラックペレットは、混合部２７０へ移送されてもよい。カーボンブラックペレットを移送するためにペレタイザー２６０と混合部２７０は、移送配管で連結されてもよく、移送配管に設置された移送式ホッパー、スクリュー又はエアブロワ等によりカーボンブラックペレットが移送されてもよい。
ペレタイザー２６０の下流に位置する混合部２７０は、カーボンブラックペレットと分散媒を混合して、カーボンブラックスラーリを形成する。
本実施例におけるカーボンブラックスラーリは、分散媒の中にカーボンブラックペレットが分散されたスラーリを意味し、カーボンブラック粉末を分散させるための分散媒は、好ましくは、水を用いることができる。
一実施例において、カーボンブラックスラーリは、１０重量％～５０重量％のカーボンブラックペレットと、５０重量％～９０重量％の分散媒とを含んでいてもよく、カーボンブラックスラーリの粘度は、２００ｃｐｓ以下、好ましくは、１５０ｃｐｓ以下であってもよい。
カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラックペレットの含量が５０重量％を超える場合、カーボンブラックスラーリの粘度が高くなり過ぎて、カーボンブラックスラーリの移送難易度が増加し得るし、第２の反応帯域２１０ｂへカーボンブラックスラーリを噴射する際、噴射ノズルが詰まるおそれがある。
混合部２７０は、カーボンブラックペレットと分散媒を相対的に高速（例えば、１，０００ｒｐｍ～２，０００ｒｐｍ）に混合するプレミキサー２７０ａと、プレミキサー２７０ａの下流に位置し、プレミキサー２７０ａで高速に混合したカーボンブラックスラーリを相対的に低速（５０ｒｐｍ～２００ｒｐｍ）に混合しながら、カーボンブラックスラーリの中に固まっているカーボンブラックペレットを物理的に粉碎するビーズミル２７０ｂとを含んでいてもよい。混合部２７０は、プレミキサー２７０ａとビーズミル２７０ｂを両方とも含むか、２つの混合手段のうち１つのみを含んでいてもよい。
混合部２７０の下流に位置する還流部２８０は、混合部２７０で形成されたカーボンブラックスラーリを貯蔵すると共に、カーボンブラックスラーリを第２の反応帯域２１０ｂへ還流させる。カーボンブラックスラーリを移送するために、混合部２７０と還流部２８０、還流部２８００と第２の反応帯域２１０ｂは、移送配管で連結されてもよく、移送配管に設置されたポンプ等によりカーボンブラックスラーリが移送されてもよい。
還流部２８０内のカーボンブラックスラーリの温度は、カーボンブラックスラーリ中の分散媒の気化を防ぐために、１００℃未満、好ましくは、５０℃～８０℃であってもよい。また、還流部２８００は、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラックペレットの分散性が低下することを防ぐために、撹拌手段をさらに含んでいてもよい。
移送配管を介して還流部２８０において、第２の反応帯域２１０ｂへ移送されたカーボンブラックスラーリは、第２の反応帯域２１０ｂの内周面に配置された噴射ノズル等のような手段によって、燃焼反応器２１０内へ噴射されてもよい。
燃焼反応器２１０内へ噴射されるカーボンブラックスラーリの温度は、１００℃未満、好ましくは、５０℃～８０℃であってもよく、カーボンブラックスラーリの噴射圧力は、１５ｋｇｆ／ｃｍ２以下であってもよい。
上述したように、第２の反応帯域２１０ｂは、還流部２８０によってカーボンブラックスラーリが還流され、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラックペレットが活性化する区間である。
カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラックペレットを活性化するために、燃焼反応器２１０内のカーボンブラックペレットの表面と水蒸気が反応するために必要な高温雰囲気を形成する必要がある。
このため、還流部２８０において、第２の反応帯域２１０ｂへカーボンブラックスラーリを還流させるとき、燃焼反応器２１０内の高温雰囲気（１，１００℃～１，７００℃）を形成する必要がある。これにより、第１の反応帯域２１０ａへ燃料油と燃焼促進ガスを投入して反応させることで、燃焼反応器２１０の内部温度を上昇させることができる。
よって、還流部２８０において、第２の反応帯域２１０ｂへカーボンブラックスラーリを還流させるとき、燃焼反応器２１０内の高温雰囲気を形成するために、第１の反応帯域２１０ａへ投入される燃料油の流量は、第１の反応帯域２１０ａへ投入される燃焼促進ガスの流量の１０％以下、好ましくは、３％～１０％であることが好ましい。
一方、カーボンブラックペレットは、燃焼促進ガス（例えば、酸素）が存在する高温雰囲気（一般に、４００℃以上）下で燃焼するため、カーボンブラックスラーリを第２の反応帯域２１０ｂへ還流させる前、燃焼反応器２１０内に燃焼促進ガスが存在する場合、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末が熱分解し得る。
よって、燃焼反応器２１０内に存在する過量の燃焼促進ガスを使いきれるために、第１の反応帯域２１０ａへ燃料油及び燃焼促進ガスのみならず、原料油を投入する必要がある。このとき、燃焼反応器２１０内に存在する過量の燃焼促進ガスを使いきれるために、第１の反応帯域２１０ａへ投入される原料油の流量は、第１の反応帯域２１０ａへ投入される燃料油の流量の１倍～３倍であることが好ましい。
本実施例によれば、カーボンブラック粉末に対する活性化処理を連続して行うことにより、カーボンブラック粉末を活性化するための足りる残留時間を確保することができる。
このため、燃焼反応器２１０で最初形成されたカーボンブラック粉末は、異物除去部２３０で異物が除去された後、経路（ａ）に沿ってペレタイザー２６０を経てペレット化された後、混合部２７０に投入され、混合部２７０でカーボンブラックスラーリを形成して、第２の反応帯域２１０ｂへ還流される過程を経ることができる。次いで、第２の反応帯域２１０ｂで活性化したカーボンブラックペレットは、異物除去部２３０で異物が除去された後、経路（ｂ）に沿って直ぐに混合部２７０に投入され、混合部２７０でカーボンブラックスラーリを形成して、第２の反応帯域２１０ｂへ還流される過程を複数回経ることができる。
第２の反応帯域２１０ｂへ還流される数が増加するほど、カーボンブラックペレットの活性化度合いが向上し得るし、第２の反応帯域２１０ｂへカーボンブラックペレットを還流する繰り返した回数は、求められるカーボンブラックペレットの特性に応じて適宜調節されてもよい。
次いで、カーボンブラックペレットに対する活性化が十分に行われた場合、カーボンブラックペレットは、第３の反応帯域１１０ｃで焼入れた後、経路（ｃ）に沿って後続工程２９００へ移送されてもよい。
後続工程２９０は、活性化処理済みカーボンブラック粉末から異物を除去する工程、及びカーボンブラックペレットを包装する工程等を含んでいてもよい。
以下では、本発明の具体的な実施例を提示する。ただし、下記に記載した実施例は、本発明を具体的に例示するか説明するためのものに過ぎず、これによって本発明が制限されてはならない。
カーボンブラック粉末の活性化
実施例１
燃焼反応器の第１の反応帯域に原料油としてクレオソート、燃料油として石油系ＦＣＣ、及び燃焼促進ガスとして空気を投入した後、約１，５００℃に昇温して反応させて、カーボンブラック粉末を形成した。第３の反応帯域において、カーボンブラック粉末に焼入れ液を噴射して焼入れた。
実施例１
燃焼反応器の第１の反応帯域に原料油としてクレオソート、燃料油として石油系ＦＣＣ、及び燃焼促進ガスとして空気を投入した後、約１，５００℃に昇温して反応させて、カーボンブラック粉末を形成した。第３の反応帯域において、カーボンブラック粉末に焼入れ液を噴射して焼入れた。
プレミキサーで焼入れたカーボンブラック粉末３０重量％と水７０重量％を１，５００ｒｐｍで３時間混合して、カーボンブラックスラーリを形成した後、カーボンブラックスラーリをビーズミルに移して、１５０ｒｐｍで２時間混合した。
さらに燃焼反応器内の原料油、燃料油及び燃焼促進ガスを投入して、燃焼反応器の内部温度を約１，５００℃に昇温した後、６０℃のカーボンブラックスラーリを燃焼反応器の第２の反応帯域へ還流させて、カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末の活性化反応を誘導した。
第３の反応帯域で活性化したカーボンブラック粉末に焼入れ液を噴射して、焼入れた後、１時間後、カーボンブラック粉末を得た。
実施例２
第３の反応帯域で活性化したカーボンブラック粉末に焼入れ液を噴射して、焼入れた後、さらにカーボンブラックスラーリを製造して、燃焼反応器の第２の反応帯域へ還流させる過程をさらに１回行った後、カーボンブラック粉末を得た。
第３の反応帯域で活性化したカーボンブラック粉末に焼入れ液を噴射して、焼入れた後、さらにカーボンブラックスラーリを製造して、燃焼反応器の第２の反応帯域へ還流させる過程をさらに１回行った後、カーボンブラック粉末を得た。
比較例１
別途活性化処理を行わないことを除いては、実施例１と同様な方式でカーボンブラック粉末を形成した。
別途活性化処理を行わないことを除いては、実施例１と同様な方式でカーボンブラック粉末を形成した。
比較例２
燃焼反応器の第１の反応帯域に原料油としてクレオソート、燃料油として石油系ＦＣＣ、及び燃焼促進ガスとして空気を投入した後、約１，５００℃に昇温して反応させて、カーボンブラック粉末を形成した。第１の反応帯域へ投入される原料油に対し、１５％の量で第２の反応帯域に水蒸気を投入して、第１の反応帯域で形成されたカーボンブラック粉末を活性化した。次いで、第３の反応帯域で活性化したカーボンブラック粉末に焼入れ液を噴射して焼入れた。
燃焼反応器の第１の反応帯域に原料油としてクレオソート、燃料油として石油系ＦＣＣ、及び燃焼促進ガスとして空気を投入した後、約１，５００℃に昇温して反応させて、カーボンブラック粉末を形成した。第１の反応帯域へ投入される原料油に対し、１５％の量で第２の反応帯域に水蒸気を投入して、第１の反応帯域で形成されたカーボンブラック粉末を活性化した。次いで、第３の反応帯域で活性化したカーボンブラック粉末に焼入れ液を噴射して焼入れた。
活性化したカーボンブラック粉末の特性評価
実施例１－２及び比較例１－２で得たカーボンブラック粉末に対して、比表面積（Ｎ２ＳＡ、ＳＴＳＡ）、ＯＡＮ（Ｏｉｌ
ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ）値、体積抵抗を測定しており、その結果は、下記の表１に記載した。
実施例１－２及び比較例１－２で得たカーボンブラック粉末に対して、比表面積（Ｎ２ＳＡ、ＳＴＳＡ）、ＯＡＮ（Ｏｉｌ
ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ）値、体積抵抗を測定しており、その結果は、下記の表１に記載した。
（１）比表面積：Ｎ２ＳＡ（Ｔｏｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｒｅａ）は、ＡＳＴＭ
Ｄ３０３７－９３に基づいて測定しており、ＳＴＳＡ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｒｅａ）は、ＡＳＴＭ
Ｄ５８１６－９６に基づいて測定した。Ｎ２ＳＡは、２ｎｍ以下の直径を有するマイクロ孔を含む表面積を測定し、ＳＴＳＡは、ポリマーと相互作用することのできる比表面積を測定して、メゾ孔の形成度合いを予測するようにする。
Ｄ３０３７－９３に基づいて測定しており、ＳＴＳＡ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｒｅａ）は、ＡＳＴＭ
Ｄ５８１６－９６に基づいて測定した。Ｎ２ＳＡは、２ｎｍ以下の直径を有するマイクロ孔を含む表面積を測定し、ＳＴＳＡは、ポリマーと相互作用することのできる比表面積を測定して、メゾ孔の形成度合いを予測するようにする。
（２）ＯＡＮ（Ｏｉｌ
ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ）値は、カーボンブラック１００ｇに含有し得るＤＢＰ（フタル酸ジブチル）の吸油量を評価して示した値であり、ＡＳＴＭ Ｄ－２４１４規定に準して測定した。ＯＡＮの数値が高いほど、カーボンブラックの構造が複雑で、かつ発達したことを意味する。
ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｎｕｍｂｅｒ）値は、カーボンブラック１００ｇに含有し得るＤＢＰ（フタル酸ジブチル）の吸油量を評価して示した値であり、ＡＳＴＭ Ｄ－２４１４規定に準して測定した。ＯＡＮの数値が高いほど、カーボンブラックの構造が複雑で、かつ発達したことを意味する。
（３）体積抵抗は、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ社のＭＣＰ－Ｔ６１０に従って、下記の方法により測定した：
エチレンビニルアセテート（ＥＶＡ）樹脂（ＬＧ化学、ＥＣ２８００５）に、実施例１－２及び比較例１－２のそれぞれに対して、カーボンブラック粉末の含量が１５ｗｔ％となるように混合し、ｉｎｔｅｒｎａｌ ｍｉｘｅｒ（ＨＡＡＫＥ Ｒｈｅｏｃｏｒｄ ９０）を用いて約１５分間配合しており、これをホットプレスで一定大きさのシート状に成形製作した。シートの大きさは、横、縦が１０ｃｍであり、厚さは２ｍｍである。設けたカーボンブラックが混合したＥＶＡシートを用いて体積抵抗（Ｖｏｌｕｍｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を９回測定しており、平均値を結果に示した。
上記表１の結果をみると、活性化処理を行っていない比較例１に比べて、第１の反応帯域でカーボンブラック粉末を形成した後、第２の反応帯域で活性化処理を行った比較例２によるカーボンブラック粉末のＮ２ＳＡ及びＳＴＳＡが向上したことを確認することができる。すなわち、第１の反応帯域でカーボンブラック粉末を形成した後、第２の反応帯域で活性化処理を行っても、カーボンブラック粉末の比表面積を向上させることを確認することができる。また、ＯＡＮ値も比較例２によるカーボンブラック粉末が比較例１より大きいことを確認することができる。これにより、比較例２によるカーボンブラック粉末の体積抵抗が比較例１より大きいことは、活性化処理によってカーボンブラック粉末の比表面積が向上し、構造が発達したことによると予想することができる。
しかし、比較例２によるカーボンブラック粉末は、比較例１に比べて、比表面積、特にＮ２ＳＡ値とＯＡＮ値が向上したにもかかわらず、体積抵抗の増加幅が小さいことを確認することができる。これは、活性化処理を行ったにもかかわらず、カーボンブラック粉末の表面に伝導性の向上に影響を与えるメゾ孔の代わりに、マイクロ孔が複数形成されたからであり、Ｎ２ＳＡ／ＳＴＳＡの値が大きいほど、カーボンブラック粉末の表面にメゾ孔に比べて、マイクロ孔が複数存在することを意味する。
かかる結果は、実施例１及び実施例２の結果からより明確に確認することができる。実施例１によるカーボンブラック粉末は、比較例２と同様、１回の活性化処理を行ったにもかかわらず、高い伝導性を有することを確認することができる。
かかる結果は、まず、実施例１によれば、比較例２と違って、燃焼反応器の第２の反応帯域に水蒸気を噴射して、第３の反応帯域での焼入れが行われる前まで活性化することとは違って、カーボンブラック粉末と水を混合して形成されたカーボンブラックスラーリを第２の反応帯域に噴射して活性化を行うことにより、比較例２に比べて、カーボンブラック粉末の活性化に要する足りる残留時間を確保したことに起因するものである。
実施例１によるカーボンブラック粉末は、比較例２に比べて、カーボンブラック粉末の活性化に要する足りる残留時間を確保することによって、カーボンブラック粉末のＮ２ＳＡ及びＳＴＳＡ値が比較例２よりさらに増加した反面、Ｎ２ＳＡ／ＳＴＳＡ値は、減少したことを確認することができる。すなわち、実施例１によれば、カーボンブラック粉末の表面に伝導性の向上に影響を与えるメゾ孔が複数形成されて、比表面積が向上したことを予想することができる。
また、実施例１によって活性化したカーボンブラック粉末をさらに燃焼反応器の第２の反応帯域へ還流させて、活性化処理を行った実施例２の場合、実施例１に比べて、Ｎ２ＳＡ及びＳＴＳＡ値が増加すると共に、Ｎ２ＳＡ／ＳＴＳＡ値は、減少したことを確認することができる。
このように、本発明によれば、燃焼反応器で形成されたカーボンブラック粉末をスラーリ化し、さらに燃焼反応器で繰り返して還流させて、活性化処理を連続して行うことにより、カーボンブラックを活性化するための足りる残留時間を確保することができる。
以上のように、本発明について例示した図面を参照して説明したが、本明細書に開示した実施例と図面によって本発明が限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で通常の技術者によって多様な変形が成されることは自明である。また、本発明の実施例を前述しながら、本発明の構成による作用効果を明示的に記載して説明しなかったとしても、該構成によって予測可能な効果も認めるべきであることは、当然である。
Claims (10)
- カーボンブラック粉末を形成する燃焼反応器；
前記燃焼反応器の下流に位置し、前記燃焼反応器で形成されたカーボンブラック粉末と分散媒を混合して、カーボンブラックスラーリを形成する混合部；及び、
前記混合部の下流に位置し、前記混合部で形成されたカーボンブラックスラーリを前記燃焼反応器へ還流させる還流部；
を含むものの、
前記燃焼反応器は、
燃料油、原料油、及び燃焼促進ガスを投入した後、反応させる第１の反応帯域；
前記第１の反応帯域の下流に位置し、前記混合部で形成されたカーボンブラックスラーリが投入されて、前記カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末が活性化する第２の反応帯域；及び、
前記第２の反応帯域の下流に位置し、活性化したカーボンブラック粉末に向けて焼入れ液を噴射する第３の反応帯域；
を含む、
カーボンブラックの製造装置。 - 前記混合部で形成されたカーボンブラックスラーリを前記第２の反応帯域へ還流させるとき、前記第１の反応帯域へ投入される前記燃料油の流量は、前記第１の反応帯域へ投入される前記燃焼促進ガスの流量の３％～１０％である、請求項１に記載のカーボンブラックの製造装置。
- 前記混合部で形成されたカーボンブラックスラーリを前記第２の反応帯域へ還流させるとき、前記第１の反応帯域へ投入される前記原料油の流量は、前記第１の反応帯域へ投入される前記燃料油の流量の１倍～３倍である、
請求項１に記載のカーボンブラックの製造装置。 - 前記混合部で形成されるカーボンブラックスラーリは、５０重量％～９０重量％の分散媒を含む、
請求項１に記載のカーボンブラックの製造装置。 - ａ）第１の反応帯域、第２の反応帯域及び第３の反応帯域が順次に連結された燃焼反応器の第１の反応帯域へ燃料油、原料油及び燃焼促進ガスを投入した後、反応させてカーボンブラック粉末を形成するステップ；
ｂ）前記ステップａ）において形成されたカーボンブラック粉末と分散媒を混合して、カーボンブラックスラーリを形成するステップ；
ｃ）前記ステップｂ）において形成されたカーボンブラックスラーリを前記燃焼反応器の第２の反応帯域へ還流させるステップ；
ｄ）前記燃焼反応器の第２の反応帯域において、前記カーボンブラックスラーリ中のカーボンブラック粉末を活性化するステップ；及び、
ｅ）前記燃焼反応器の第３の反応帯域において、活性化したカーボンブラック粉末に向けて焼入れ液を噴射するステップ；
を含む、
カーボンブラックの製造方法。 - 前記ステップｂ）において形成されるカーボンブラックスラーリは、５０重量％～９０重量％の分散媒を含む、
請求項５に記載のカーボンブラックの製造方法。 - 前記カーボンブラックスラーリの粘度は、２００ｃｐｓ以下である、
請求項５に記載のカーボンブラックの製造方法。 - 前記ステップｄ）の前、前記第１の反応帯域に投入される前記燃料油の流量は、前記第１の反応帯域へ投入される前記燃焼促進ガスの流量の３％～１０％である、
請求項５に記載のカーボンブラックの製造方法。 - 前記ステップｄ）の前、前記第１の反応帯域へ投入される前記原料油の流量は、前記第１の反応帯域に投入される前記燃料油の流量の１倍～３倍である、
請求項５に記載のカーボンブラックの製造方法。 - 前記ステップｅ）において活性化したカーボンブラック粉末を焼入れた後、前記ステップｂ）～前記ステップｄ）を繰り返す、
請求項５に記載のカーボンブラックの製造方法。
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