JPH03212458A - カーボンブラック製造方法および反応炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はファーネス式カーボンブラック製造方法および
反応炉に係り、詳しくは、ソフト系カーボンブラックの
製造に好適なカーボンブラック製造方法および反応炉に
関する。

〔従来の技術〕

工業的に広〈実施されているカーボンブラック製造方法
として、反応炉の上流端壁から反応炉の燃焼ガス充填室
内に原料となる炭化水素油を噴霧するとともに燃料と空
気とを燃焼させて得た燃焼ガスを供給することにより、
炭化水素油を不完全燃焼させてカーボンブラックとする
オイルファーネス式カーボンブラック製造方法がある。

一般に、ファーネス式カーボンブラックの製造には、上
流端壁のほぼ中央部に原料供給管を有し、側壁に燃焼ガ
ス供給管を有する燃焼ガス充填室、断面積が小さいベン
チュリー部、カーボンブラック生成反応域を同一軸上に
配列した構造の横置き円筒型反応炉を用いている。

カーボンブラックは、ゴムや樹脂の充填材、塗料やイン
クの着色剤等として用いられており、用途により、求め
られる性状が異なるので、炉の形状を変えたり、燃焼ガ
ス充填室壁やカーボンブラック生成反応域壁に空気供給
管を設けて空気を供給し、空気の供給方法や供給量を変
えて、生成するカーボンブラックの性状を制御している
。カーボンブラックの性状の内、最も問題になるのは、
粒子の大きさと粒子か結合して形成されるアグリゲート
の大きさてあり、特にゴムや樹脂の充填材として用いる
場合には、アグリゲートの大きさが問題である。

特公昭５４−３８０６８号公報には、全体的に円筒形の
反応炉において、反応炉の先端から炉内の軸線方向に炭
化水素原料油を連続的に噴射すると共に、炉頭部の側壁
接線方向から炉内に燃焼ガス或いは燃料と空気を導入し
て、高温の燃焼ガスによる旋回流を生ぜしめ、この旋回
流発生位置に近接した側壁の接線方向から、前記旋回流
の流動方向とは逆の流動方向に旋回するように空気を導
入することによって通常の方法で製造されるカーボンブ
ラックよりも高いストラフチャーを有するカーボンブラ
ックの製造方法が開示されている。

特公昭６２−３４２７２号公報には、ハード級カーボン
ブラックの製造装置として、円筒形の燃焼ガス充填室と
、これと共軸的に連結され、充填室よりも直径の小さい
円筒形のカーボンブラック生成反応室と充填室の中心軸
に保持された炭化水素原料導入装置と、反応室と共軸的
に連結された急速冷却室と煙道からなるカーボンブラッ
ク製造装置において、ガス充填室の前半部分に側壁の接
線方向から燃焼ガス導入口を設け、ガス充填室と反応室
の間にベンチュリー部を設け、原料噴霧口の先端を燃焼
ガス導入口より後、ベンチュリー部人口よりも前に位置
させ、原料導入装置の挿入口の外周部に少なくとも２個
のガス圧入噴出口を設け、急速冷却室壁からは冷却水の
噴霧部を挿入引抜自在に複数個設置したカーボンブラッ
ク製造装置が開示されている。

目的はハード級カーボンブラックであるから、粒子か細
かく、ストラフチャーの発達したカーボンブラックを製
造するものであるが、製造品種別の切換え運転操作が容
易な上に、最高温部の耐火物壁の溶損や損耗を著しく低
下した製造装置にかかわるものである。

ベンチュリー部の後は、ガス充填室よりも直径の小さい
円筒部となっているが、この部分はあくまでカーボンブ
ラック生成反応室となっている。

また原料導入装置の挿入口である先端壁の外周部から、
空気その他のガスを噴入するようにしているが、耐火壁
の溶損や損耗を防止し、且つスロト部直径の大きいベン
チュリの採用を可能とし、内圧の上昇とコークス発生を
回避することを目的とし、従って、開口部が側壁近傍に
なっている。

特開昭６１−３４０７１号公報には、ソフト系カーボン
ブラックの製造装置として、円筒形状の燃焼ガス充填室
と、ベンチュリー部と、ガス充填室と共軸的に連結され
且つ充填室よりも直径の大きい円筒形状のカーボンブラ
ック生成反応室と、これに共軸的に連結された反応継続
兼急速冷却室と、煙道とを順次同一軸上に配列したカー
ボンブラック反応器であって、燃焼ガス充填室の上流端
壁中央部に、原料導入装置を、充填室中心軸に保持し、
ガス充填室前半部分の側壁接線方向位置に中心軸を有す
る少なくとも１個のガス導入口を設け、該導入口とは独
立した少なくとも２個の燃料流体導入口を設け、カーボ
ンブラック生成反応室前半部分に少なくとも２個以上の
酸素含有ガス及び／又は燃料流体導入口を設け、反応継
続兼急速冷却室壁に複数個の冷却水圧入噴霧器を挿入−
引抜自在に設けたソフト系カーボンブラ・ツクの製造装
置が開示されている。

この装置においても、ベンチュリー部の後には直接カー
ボンブラック生成反応室があり、しかも、その断面積は
ガス充填室よりも大きくなっている。

この装置では、原料導入室がなく、従って原料導入室と
原料炭化水素導入噴霧管との間に形成された環状空間か
ら軸方向に向っての空気導入がない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、アグリゲートが十分に発達したカーボ
ンブラックを製造する方法およびそのために好適な反応
炉を提供することにある。特に、圧縮ＤＢＰ値が大きく
、ゴムに配合した場合に押出特性を良好にできるソフト
系カーボンブラックを製造する方法およびそのために好
適な反応炉を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は上記のような課題を解決するため研究を行い
、上流端壁に設けた原料供給管の周囲から大量の空気を
供給することおよび反応炉のカーボンブラック生成反応
域の上流側断面積を小さくすることにより生成するカー
ボンブラックのアグリゲート径を大きくてきることを見
出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、横置き円筒型の反応炉を用いるフ
ァーネス式カーボンブラック製造方法において、反応炉
内に供給する空気の２５〜５０容量％を、上流端壁に設
けた原料供給管を取り囲むように設けた空気供給管から
供給することを特徴とするカーボンブラック製造方法で
ある。また、燃焼ガス充填室、ベンチュリー部、カーボ
ンブラック生成反応域を同一軸上に配列した横置き円筒
型カーボンブラック反応炉であって、燃焼ガス充填室の
上流端壁に原料供給管と該原料供給管を取り囲む空気供
給管とを有するとともにカーボンブラック生成反応域上
流側断面積が下流側断面積よりも小さいことを特徴とす
るカーボンブラック反応炉である。

本発明でいうファーネス式カーボンブラック製造方法と
は、反応炉の上流端壁から反応炉の軸線方向に向けて原
料を反応炉内に噴霧する一方で、燃料を過剰の空気で燃
焼して得られる燃焼ガスを供給するとともに、燃焼ガス
も含めて反応炉内に供給する空気の合計量か原料を完全
に燃焼するには不十分となる量の空気を反応炉の側壁又
は上流端壁から高温状態で供給し、原料および空気を反
応炉下流側に向けて流動させながら原料を不完全燃焼さ
せてカーボンブラックとするカーボンブラック製造方法
である。

燃焼ガスを生成するために用いる燃料としては、天然ガ
ス、プロパン、ブタン等の気体燃料、灯油、軽油、Ｃ重
油等の液体燃料かある。

燃焼ガスは燃料と過剰量の空気とをバーナーを用いて燃
焼して生成できる。燃焼ガス以外の空気の供給方法およ
び供給量は、得られるカーボンブラックの性状に影響す
る。空気の供給量が大過ぎると、反応炉内温度が高くな
り過ぎやすくなり、収率の低下につながる。また少なす
ぎても収率が低下する傾向がある。

本発明では、燃焼ガスを含めて反応炉内に供給する空気
の内２５〜５０容量％を原料供給管を取り囲むように設
けた空気供給管から、原料と同様、反応炉の軸線方向に
供給する。この量が２５容量％未満では、アグリゲート
か十分に発達したカーボンブラックを製造することがで
きない。逆に５０容量％を越えると収率が低下する傾向
がある。

原料供給管から燃料ガス充填室に供給された原料は、燃
焼空気とともに、反応炉の軸線方向に進み、カーボンブ
ラック生成反応域で、空気と反応して燃焼し、カーボン
ブラックとなり、さらに急冷室で冷却され、下流端壁側
から取り出される。

原料を燃焼させる温度は一般的には１２００〜１６００
℃程度か好ましい。燃焼温度が高くなりすぎても、低く
なりすぎても収率が低下する傾向がある。

本発明のカーボンブラック反応器は、はぼ横置き円筒型
をしており、内壁は耐火物てライニングされており、内
部は、大きく分けて、燃焼ガス充填室およびカーボンブ
ラック生成反応域からなる反応炉と反応炉下流側に連結
する急冷室からなり、これらの各部分は、はぼ同一軸上
に配列し、燃焼ガス充填室とカーボンブラック生成反応
域との間は、燃焼ガス充填室およびカーボンブラック生
成反応域より軸方向に対して垂直方向の断面積が小さい
ベンチュリー部により連結され、急冷室の下流側には煙
道が連結している。

燃焼ガス充填室の上流端壁のほぼ中央部には先端に噴霧
ノズルを有する原料供給管が燃焼ガス充填室内に向けて
設けられており、原料を反応炉の中心軸方向に噴霧でき
る。燃焼ガス充填室の側壁には燃焼ガス供給管が設けら
れており、バーナーで燃焼した燃焼ガスを供給できる。

燃焼ガス充填室壁やカーボンブラック生成反応室側壁に
は適宜空気供給管が設けられ、反応炉内に必要に応じて
空気を供給できる。なお、原料供給管および各空気供給
管は、燃焼ガス充填室壁またはカーボンブラック生成反
応域側壁に設けた嵩に挿入−引出自在に取り付けるのが
よい。

本発明のカーボンブラック反応炉としては、カーボンブ
ラック生成反応域上流側断面積がベンチュリー部断面積
よりは大きくカーボンブラック生成反応域下流側断面積
よりも小さくなっているものが好ましい。カーボンブラ
ック生成反応域上流側断面積が小さい反応炉としては、
カーボンブラック生成反応域上流側部分の耐火物による
ライニングを厚くして、下流側に対して階段状にしたも
のがある。この場合、段の数は一段がよいが、複数段で
もよい。

なお、本発明のカーボンブラック反応炉の各部文の軸方
向に対して垂直方向の断面積の比は、燃焼ガス充填室の
最大断面積を１００とした場合、ベンチュリー部の最小
断面積は１５〜２５程度、カーボンブラック生成反応域
上流側断面積は３０〜５０程度、下流側断面積は８０〜
１２０程度とするのがよい。

第１図に本発明のカーボンブラック反応炉の一例を示す
。第１図中、１は燃焼ガス充填室、２は燃焼ガス充填室
上流端壁、３は原料供給管、４は原料供給管を取り囲む
ように設けた空気供給管、５は燃料ガス供給管、６，７
は空気供給管、８はベンチュリー部、９はベンチュリー
部スロート部分、１０はカーボンブラック生成反応域上
流側、１１はカーボンブラック生成反応域下流側である
。

〔作　用〕

本発明者の知見によれば、本発明において、アグリゲー
トの発達したカーボンブラックを製造できるのは、反応
炉内に噴霧した原料が、原料供給管を取り囲むように設
けた空気供給管から供給する空気の流れに囲まれた状態
で反応炉内を流れるので、反応炉側壁に設けた空気供給
管より供給した空気による原料流れの乱れが制御され、
原料噴霧が拡散しにくく、カーボンブラック生成反応域
内で原料噴霧が偏流して高濃度域が形成され、結果とし
て原料が濃度の高い状態で空気と反応して燃焼するので
、生成した粒子が結合しやすくなるためである。

また、カーボンブラック生成反応域の上流側断面が下流
側断面積よりも小さい反応炉を用いた場合、通常の反応
炉を用いる場合よりも、前記した原料の高濃度域が長く
維持され、アグリゲートの発達に寄与するものと考えら
れる。

〔実施例、比較例〕

以下に実施例、比較例によって本発明を更に具体的に説
明するが、本発明は、この実施例によって同等限定され
るものではない。

第１図に示した反応炉を用いてカーボンブラックを製造
した。たたし、燃焼ガス充填室直径１００に対してベン
チュリー部スロート部分ちつけいは４３．８φ、カーボ
ンブラック生成反応域上流側直径は６２．５φ、長さは
１２５、カーボンブラック生成反応域下流側直径は１０
０φ、長さは４３７．５、原料供給管内径は１１．６φ
、外径は１１．９φ、原料供給管を取り囲むように設け
た吸気供給管の内径は３１．３φであり、ベンチュリー
部入口円錐角度は１２０°である。なお、カーボンブラ
ックの製造にあたっては、アグリゲート成長抑制剤を添
加してＤＢＰ値をほぼ一定に保つようにした。また、原
料油温度は１８０℃、燃焼空気を生成するために用いた
燃料油の消費速度は３６０Ω／時、燃焼空気以外の供給
空気の温度５８０℃、空気率は０．１６３、燃料比は９
０４　Ｋｃａｌ／ｇとした。

第１表に、原料油供給速度１０００．１？／時あたりの
、燃焼空気供給速度、原料供給管を取り囲むように設け
た空気供給管からの空気（中央空気）供給速度、燃焼空
気充填室側壁に設けた空気供給管からの空気（２切空気
）供給速度およびカーボンブラック生成反応域側壁に設
けた空気供給管からの空気（３切空気）供給速度、燃焼
空気を含め反応炉に供給する空気全量に対する中央空気
供給量の割合について、実施例１〜５、比較例１〜３に
おける各空気量、中央空気供給比率を示す。また得られ
るカーボンブラックの沃素吸着量、ジブチルフタレート
吸油１ｔ（ＤＢＰ吸油量）および圧縮ジブチルフタレー
ト吸油量（圧縮ＤＢＰ吸油量）ならびに得られたカーボ
ンブラックを充填材として用いたゴム組成物のダイスウ
ェルおよびＭ２Ｏ３を示す。

なお、ＤＢＰ吸油量（ＡＳＴＭ　　Ｄ−２４１４７０）
はアグリゲートによる吸油量の他にファン・デル・ワー
ルスカによるストラフチャーに基く吸油量をも含むが、
圧縮ＤＢＰ吸油量は、圧縮を加えた後にＤＢＰ吸油量を
測定するものでアグリゲートそのものによる吸油量を表
わすものである。

沃素吸着量はＪ　Ｉ　５Ｋ−６２２１−１９８２によっ
て測定した。

ダイスウェル及びＭ２Ｏ３の測定については、スチレン
ブタジェンラバー１００重量部に対して得られたカーボ
ンブラックを６０重量部を混練したものについて測定し
た。ダイスウェルの測定にはＡＳＴＭ　　Ｎｏｌダイを
装着したスクリュータイプの押出機を用い、スクリュー
内流体温度１００℃以下、押出機外筒温度１００＋０〜
２℃の条件で行った。また引張り強さ（Ｍ２Ｏ３）の測
定はＪＩＳＫ６３０１に準じて行なった。第１表によっ
て、原料高濃度域を設け、中央空気供給比率を２５〜５
０容量％と増大させることによって、圧縮ＤＢＰ量が大
きくなり、アグリゲートが発達したことが判る。またダ
イスウェルの値も小さくなっている。

刀 表 〔発明の効果〕 本発明のカーボンブラック製造方法および反応炉によれ
ば、アグリゲートが十分に発達したカボンブラソクを容
易に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のカーボンブラックの反応炉の模式断面
立面図を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）横置き円筒型の反応炉を用いるファーネス式カー
   ボンブラック製造方法において、反応炉内に供給する空
   気の２５〜５０容量％を、上流端壁に設けた原料供給管
   を取り囲むように設けた空気供給管から供給することを
   特徴とするカーボンブラック製造方法。
2. （２）燃焼ガス充填室、ベンチュリー部およびカーボン
   ブラック生成反応域を同一軸上に配列した横置き円筒型
   カーボンブラック反応炉であって、燃焼ガス充填室の上
   流端壁に原料供給管と該原料供給管を取り囲む空気供給
   管とを有するとともにカーボンブラック生成反応域上流
   側断面積が下流側断面積よりも小さいことを特徴とする
   カーボンブラック反応炉。