JPH06505298A - カーボンブラックの製造 - Google Patents

カーボンブラックの製造

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JPH06505298A JP50668892A JP50668892A JPH06505298A JP H06505298 A JPH06505298 A JP H06505298A JP 50668892 A JP50668892 A JP 50668892A JP 50668892 A JP50668892 A JP 50668892A JP H06505298 A JPH06505298 A JP H06505298A
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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】 カーボンブラックの製造 発明の利用分野 本発明はカーホンブラックの製造方法に関する。
背景技術 本発明は、例えばフィラー、顔料、ゴムやプラスチックの補強材ような多数の重 要な用途を存するファーネスカーボンブラックの製造に関する。一般に、これら のカーボンブラックを調製するファーネスプロセスは、カーボンブラックを生成 する1255K (+800’F)を越える温度の閉鎖転化ゾーンにおける炭化 水素原料、例えば天然ガス又は接触分解サイクル原料のクラッキング又は不完全 燃焼を必然的に伴う。転化ゾーンから流出したガスに同伴されたカーボンブラッ クは、次いでその技術分野で通常用いられる任意の適切な手段によって冷却され 捕集される。しかし、任意の成る原料の使用によって普通に得られるストラフチ ャーと表面積特性よりも低いそれらの特性を有するファーネスカーボンブラック を製造することは極めて困難で、商業的に実行不可能であった。
従って、本発明は、所与の表面積において普通よりも低いストラフチャーと、所 与の全体燃焼(overall combustion)レベルにおいて普通よ りも低い表面積を示すカーボンブラックを調製するための新規で改良されたプロ セスの提供を主な目的とする。
本明細書で言及し、当業者に知られているように、全体燃焼はカーボンの生成プ ロセスで使用する炭化水素の全量を完全燃焼して二酸化炭素と水を生成するに要 する例えば空気のような才キシダントに対するカーボンブラックの生成プロセス に使用されたオキシダントの合計量を表す。全体燃焼は通常百分率で示される。
また、補助炭化水素の添加を含む次のプロセスが従来技術で知られているが、本 発明とは次のように相違する。
米国特許第2782101号に記載のプロセスにおいて、補助炭化水素は、炭化 水素原料と混合する前に噴射火炎ガスの酸化性成分を中和するために使用される 。その特許のプロセスとは区別されるように、本発明では補助炭化水素は高温の 噴射火炎ガスの酸化性成分の中和を目的としていない。これとは逆に、本発明で は補助炭化水素を本質的に未反応の状態で反応ゾーンに入れる。
またヵ本発明は、普通より高いストラフチャーを有するカーボンブラックを製造 するために補助炭化水素を多数の段階プロセスで導入する米国特許第39520 87号のプロセスとも相違する。補助炭化水素をその特許の操作条件下に添加し 、反応器への原料流量を下げることによって表面積を一定に保つ場合、ストラフ チャーは増加し、本明細書で定義するストラフチャー感度指数(SS I)は0 より大きくなるが、一方、本発明のプロセスでは普通のストラフチャーと表面積 のレベルよりも低いカーボンブラックを製造するために、ストラフチャー感度指 数は0より小さくなければならない。米国特許第3952087号の特許権者の 意図はSSIが常にOより大きい条件下で操作することにあるが、本発明のプロ セスの意図はSSIが常に0より小さい条件下で操作することにある。
カーボン生成プロセスのSSIは、補助炭化水素の添加なしで同じ表面積のカー ボンブラックを製造する同じカーボンブラック生成プロセスに比較して、得られ るカーボンブラックのストラフチャーを下げてプロセスに補助炭化水素を注入す る能力の尺度である。具体的には、ストラフチャー感度指数(SSI)を定義す る次の式を用いる。
SAS、+ −SAS、。
ここで、SAS、、は付加的原材を導入したときのカーボンブラック製造プロセ スのストラフチャー面積感度(SAS)であり、5AS1.は補助炭化水素を導 入したときのカーボンブラック製造プロセスのSASを表す。ストラフチャー面 積感度は次の式を用いて計算する。
ここで、ΔDBPは1つだけの操作条件の変化によるカーボンブラックのDBP 吸油量の変化を意味し、Δヨウ素吸着量は同じく1つだけの操作条件の変化、例 えば原料又は補助炭化水素の流量を変化させたときのカーボンブラックのヨウ素 吸着数の変化を意味する。
SASは表面積の変化のストラフチャーへの影響を定量化する。
本明細書で用いる用語「補助炭化水素」は水素、又は水素対炭素のモル比が原料 の水素対炭素のモル比よりも大きい全ての炭化水素を言う。例としての炭化水素 には、燃料及び/又は原料として使用するに適切な以降で記す物質がある。
また、本発明のプロセスは、補助ガスをゾーンに添加し、同時にカーボンブラッ クの粒子径に影響を及ぼさずにストラフチャーを独立して変えるために原料を導 入する米国特許第2985511号に記載のプロセスとも相違する。逆に本発明 のプロセスでは表面積か減少する。表面積の減少は一般に粒子径の増加と関係し 、従って、本プロセスのカーボンブラックの粒子径が増加することを示す。
本発明によると、上記の及び更なる目的は補助炭化水素を特定のカーボン生成プ ロセスに添加し、以降に詳細に記載するように0より小さいSSIを得るように 初期燃焼(primary combustion)と全体燃焼(overal l combustion)を調節することによって達成されることが見出され た。補助炭化水素は、本明細書で反応ゾーンとして定義されたプロセスの位置に 未反応の補助炭化水素を装入するのであれば、本発明のカーボンブラック生成プ ロセスに任意の適切な仕方で導入する。この用語「反応ゾーン」は、炭化水素原 料をそれ以前に導入し、混合し、@滴化し、気化し、その瞬間では主にカーボン 生成反応を生じ、カーボン粒子を生成するカーボン生成プロセスのゾーンを意味 する。より詳しくは、本発明のプロセスでの反応ゾーンは、炭化水素原料を注入 する最初の箇所から下流に渡り、急冷によってカーボンブラック生成プロセスを 終了させる箇所までを言う。
好ましくは、補助炭化水素を注入する領域は、原料を注入する箇所から反応器の 直径の約0.5倍程下流から、原料を注入する箇所から反応器の直径の約0.5 倍程下流までの範囲である。本発明の実施において、補助炭化水素はプロセスの 流れに任意の好都合な仕方、例えばオリフィス噴出によってガスの流れ方向の軸 方向、横方向、或いは接線方向に注入することができる。なお、補助炭化水素を 導入するプロセスの箇所は、補助炭化水素が実際に反応ゾーンに基本的に未反応 の形態、即ち、完全に酸化されるか又はカーボンブラック粒子を生成するように は未だ反応していない形態で反応ゾーンに到達するのであれば重大な問題ではな い。好ましい態様において補助炭化水素は気体であり、高温の第一段階のガスの 流れに外側周囲より横に注入する原料の軸の平面に、外側周囲よりカーボン生成 プロセスに横に導入する。
カーボンブラックについて本明細書で用いる用語「ストラフチャー」は、カーボ ンブラックの基本的を特性を定義する。一般に、この用語は、当該業界ではカー ボンブラックの一次粒子の凝集の程度を示すために使用する。全てのカーボンブ ラックは一次粒子の成る程度の凝集を呈するため、特定のカーボンブラックはそ れによって明示された凝集の相対的な程度によってストラフチャーが低い、普通 、高いカーボンブラックと分類される。低い、普通、高いストラフチャー〇分類 の間の表現は概して充分に定義されていない。従来よりカーボンブラックのスト ラフチャーは、粒子が粒子の鎖を形成する強い傾向がある場合に高いと考えられ ている。一方、−次粒子の凝集を形成するわずかな傾向かある場合にカーボンブ ラックのストラフチャーは低いと考えられている。カーボンブラックのストラフ チャー特性の直接の測定が可能になる間に、カーボンブラックの油吸収特性の測 定を伴うカーボンブラックのストラフチャーの測定方法が同等に信頼性があり、 便利であることが証明されてきた。カーボンブラックのストラフチャー特性を測 定するためのこのタイプの油吸収法が当該業界で容認され、ASTM試験法D− 2414−72の標題「カーボンブラックのジブチルフタレート吸油量Jで定め らでいる。
簡単に言うと、試験手順はBrabender−Cabotアブツーブトメータ ー(C,W、Brabender Instruments社が製造販売、5o uth Hackensack。
ニュージャージ州)中のルーズ又はペレット状のカーボンブラックのサンプルに ジブチルフタレート(DBP)を添加することを必然的に伴い、用いたジブチル フタレートの体積を測定する。値は100グラムのカーボンブラックあたりのジ ブチルフタレート(DBP)の立方センナメートル又はミリリットルで表す。カ ーボンブラックのストラフチャーを測定する目的で、本明細書でもジブチルフタ レートを使用したこの油吸収法を採用する。
本発明のプロセスは、少なくとも30.5メ一トル/秒<100フィート7秒) 、好ましくは少なくとも152゜5メ・−・トル7秒(500フィー1−7秒) の平均線速度で下流方向に流れる予め形成されたガスの流れの中に、カー・ボン ブラックを生成する原料を実質的に横に注入することによって実施することがで きる。原料は流れの外側周囲から第一・段階のガスの中に横に注入することがで き、及び/又は原料は第一段階のガス流の中心に近い位置から実質的に軸方向に 及び/又は横に注入することができる。
本発明の基本的な特徴は、前に定義したストラフチャー感度指数(SSM)が0 より小さい初期燃焼及び全体燃焼の条件で操作することにある。更なる基本的な 特徴は、補助炭化水素を本質的に未反応の状態で反応ゾーンに装入し、SSIを 0より小さくするようにプロセスを形成する多数段階のカーボンに補助炭化水素 を導入することである。前に述べたように、本明細書で定義する反応ゾーンは炭 化水素原料の注入の位置を開始の箇所とし、カーボンブラック生成プロセスが急 冷によって終わる下流の箇所まで典型的に広がる。
このプロセスの結果として、これにより生成したカーボンブラ・ツクは、所与の 表面積においてジブチルフタレート吸収量で5%よりも多い減少といったような 低いストラフチャーレベルを呈し、所与の全体燃焼においてヨウ素吸着量で少な くとも3%の減少といったような低い表面積を呈する。
本明細書で言及するように、初期燃焼は、第一段階の炭化水素を二酸化炭素と水 に完全燃焼する要するオキシダント例えば空気の理論量に対する多数段階プロセ スの第一段階に使用するオキシダントの量を表す。便宜上、初期燃焼は百分率で 表す。炭化水素が全く第一段階に供給されなかった場合、初期燃焼は無限大(0 0%)である。
適切な炭化水素とオキシダントは以降に記載する。
本発明のカーボンブラックの製造に採用する第一段階の高温ガスの調製において 、好ましくは適切な燃焼室で液体又は気体の燃料が適切なすギシダント、例えば 空気、酸素、空気と酸素の混合物等の流れと反応する。燃焼室でオキシダントの 流れと反応させ、第一段階の高温ガスを発生させるために使用するに適切な燃料 には任意の容易に燃焼できるガス、蒸気、液体の流れ、例えば水素、−酸化炭素 、メタン、アセチレン、アルコール、ケロシンが含まれる。ここで一般には炭素 を含む成分、特には炭化水素の含有率が高い燃料を使用することが好ましい。例 えば、天然ガス、改質又は富化した天然ガスのようなメタンを多く含むガス、更 に、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、燃料油を含む種々の炭化水素ガス、 液、製油副生物のような炭化水素含有率の高い流体が良好な燃料である。また、 好ましい多数段階のファーネスプロセスの第一段階において、典型的に1088 K(1500°F)までの温度に予熱されたオキシダントとしての空気と燃料と しての天然ガスが初期燃焼火炎の発生に利用される。
初期燃焼は100%〜(1)%まで変化することができるが、初期又は第一段階 の燃焼の好ましい範囲は約140%〜約1000%である。
このようにして平均速度が30.5m/秒以上の高温ガス流を発生させる。また 、燃焼室と反応室の圧力差は少なくとも6゜9kpa(1,0p、 s、 i、 )、好ましくは約10.3kpa 〜68.9kpa(1,5〜10 p、 s 、 i、 )が望ましいことが見出されている。これらの条件下でカーボンブラ ックを生成する炭化水素系原料を所望のカーボンブラック生成物に転化するに充 分なエネルギーを有するガス流が生成する。第一段階から流出した生成ガスは少 なくとも約590 k(600°F)の温度を育し、最も好ましい温度は少なく とも約1144 k(1600°F)以上である。高温ガスは下流の方向に進み 、所望により通常のベンチュリスロートのようなテーパー又は絞りを設けること がある小さい直径の閉鎖した原料注入段階にガスは導入され、加速される。第二 段階と見なすことができるプロセスのこの箇所において原料を優先的に第一段階 の高温ガス流中に注入する。或いは、第一段階の燃焼がとのように生じたとして も、完全燃焼した箇所の以降の任意の箇所に原料を注入することができる。
より詳しくは、第一段階のガスが高速で流れ、少なくとも6、9kpa(1,0 p、 s、 i、 )以上のガス圧力差(gas kinetic head) か存在する第二段階において、適切なカーボンブラック生成用炭化水素原料を所 望の圧入を達成するに充分な圧力で第一段階のガスに注入することにより、第一 段階のガスと炭化水素原料との高い速度の混合と剪断が保証される。反応条件下 で容易に揮発することができ、炭化水素原料として使用するに適切なものには、 アセチレンのような不飽和炭化水素、エチレン、プロピレン、ブチレンのような すレフイン、ベンゼン、トルエン、キシレンのような芳香族、特定の不飽和炭化 水素、及びその他の炭化水素、例えばケロシン、ナフタレン、テルペン、エチレ ンタール、芳香族環状油等がある。原料は第一段階の高温ガス流の外側周囲から 、第一段階のガス流の内部領域に浸透する複数の凝縮(coherent)流又 は噴霧流の形態で実質的に横に注入することができる。或いは、単−又は複数の 凝縮流又は噴霧流の形態で第一段階の高温ガス流の周囲の内側から実質的に軸方 向又は横に原料を注入することができる。本発明の実施において、好ましくは原 料は、所望の浸透及び/又は噴霧を達成するに充分な注入圧力で直径が0.25 cm 〜0.508cm(0,01〜0.20インチ)、好ましくは0、51c m〜0.38IC[11(0,02〜0.15インチ)の範囲の直径を有する複 数のオリフィスに強制的に通すことによって液体の流れとして導入する。
使用する原料の量は、カーボンブラック形成プロセスの全体燃焼%が10〜60 %、好ましくは15〜35%となるように使用する燃料とオキシダントの量との 関係で調節すべきであろう。
多数段階プロセスの第三段階は、急冷による反応停止の前にカーボンブラック生 成反応が起きるための充分な滞留時間を許容することができる反応ゾーンの準備 を伴う。一般にそれぞれの場合での滞留時間は特定の条件と所望とする特定のカ ーボンブラックによるが、本プロセスの滞留時間は1ミリ秒以下の如く短くから 約500ミリ秒まで変化する。従って、所望の期間でカーボンブラック生成反応 が進行した後、例えば水のような急冷液を少なくとも1本のスプレーノズルから 噴出させることによって反応を停止させる。中に浮遊したカーボンブラック生成 物を含む高温の流出ガスは、次に下流の冷却、カーボンブラックの分離と捕集の 通常の工程を経由する。ガス流からのカーボンブラックの分離は通常の手段、例 えば集じん器、サイクロンセパレーター、バグフィルタ−1又はこれらの組み合 わせによって容易に達成することができる。
本発明のこの他の目的や長所と特徴は、以降の詳細な説明と請求の範囲の考察よ り、当業者であれば明らかになるであろう。
発明の要旨 本発明のプロセスは、多数段階のカーボンブラック生成プロセスの反応ゾーンに 補助炭化水素を添加し、プロセスのSSTが0未満となるように初期燃焼と全体 燃焼を調節することによって実施する。
ストラフチャー感度指数の数学的特性は、補助炭化水素を添加し、原料を除くこ とによってカーボンブラックの表面積を一定に保つ場合、DBPAによって測定 したストラフチャーか減少したとし、他の供給を全て一定に保ってプロセスへの 付加的原料を導入したときに低い表面積のカーボンブラックが生成した場合、S SIは0より小さいはずである、ということである。更に、SSIが0より小さ いための上記の条件が、DBPAによって測定したストラクチャーが増加するこ とを除いて合致する場合、SSIは必ず0より大きい。
本発明の目的のためには、補助炭化水素が本質的に未反応で反応ゾーンに到達す るのであれば、任意の量の補助炭化水素を使用することができる。一般に補助炭 化水素として炭化水素を使用する場合、使用する炭化水素の0%は反応体の合計 炭素含有量の約60重量%未満であり、補助炭化水素として水素を使用する場合 、使用する補助炭化水素のH%は反応体の合計水素含有量の約60重量%未満で ある。
好ましくは、補助炭化水素としてガス状炭化水素を使用する場合、添加する補助 炭化水素の0%が反応体の合計炭素投入量の30%未満、好ましくは15%未満 となるような量とし、補助炭化水素として水素を使用する場合、添加する補助炭 化水素のH%が反応体の合計水素投入量の30%未満、好ましくは15%未満と なるような量とする。
ここで使用する補助炭化水素の量は、ガス状又は液状にかかわらず補助炭化水素 として水素を使用した場合を除き、プロセスの実施に使用した反応体の全投入炭 素(C)の百分率として定義され、補助炭化水素として水素を使用した場合、補 助炭化水素の量はプロセスの実施に使用した反応体の全投入水素(H)の百分率 として定義される。具体的には、炭化水素については、使用した補助炭化水素量 は次の式によってめられる。
補助炭化水素中のC(ボンド) 補助炭化水素のC%= −X 100 反応体の合計投入C(ボンド) この式において、反応体の合計投入炭素は第一段階の反応体の投入炭素、原料の 投入炭素、補助炭化水素の投入炭素の合計を示す。水素が補助炭化水素の場合、 使用した補助炭化水素の量は次の式によってめられる。
補助炭化水素中のH(ボンド) 補助炭化水素のH%= X100 反応体の合計投入H(ボンド) この式において、反応体の合計投入水素は第一段階の反応体の投入水素、原料の 投入水素、補助炭化水素の投入水素の合計を示す。
本発明は次の例を参照することによって容易に理解されるであろう。本発明を充 分に開示した後に、当業者が本発明の他の多くの態様が明白になるのは当然であ る。従って、これらの例は例証のためだけであり、如何なる方法でも本発明の範 囲を制限すると解釈すべきでない。
図面の簡単な説明 図1は、本発明のカーボンブラックを製造するために使用できるファーネスカー ボンブラック反応器の1つのタイプの横断面の一部である。
発明の詳細な説明 図1は本発明のプロセスの1つの可能な態様を示す。1つのタイプのカーボンブ ラック反応器の一部を図に描いているが、前記のように本発明は、カーボンブラ ックを炭化水素の熱分解及び/又は不完全燃焼によって製造する任意の多数段階 カーボンブラックファーネス反応器に用いることができる。
図1を参照して、本発明のプロセスは、先細径のゾーン11を有する燃焼ゾーン lO1遷移ゾーン12、入口部分18、反応ゾーン19を有するファーネスカー ボンブラック反応器2によって行うことができる。
先細径のゾーン11が始まる箇所までの燃焼ゾーン10の直径をD−1と示し、 ゾーン12の直径をD−2と示し、段のある入口部分18の直径をD−4、D− 5、D−6、D−7と示し、ゾーン19の直径をD−3と示す。先細径のゾーン 11が始まる箇所までの燃焼ゾーン10の長さを1、−1 と示し、先細径のゾ ーンの長さをL−2と示し、遷移ゾーンの長さをL−3と示し、入口部分18の 段の長さをL−4、L−5、[、−6、L−7と示す。
本発明のプロセスは、以降で特定し、更に限定した4つの反応器入口部分18を 選択的に使用して実施した。
本発明のプロセスによるカーボンブラックを製造するために、液体又は気体燃料 を適切なオキシダント流、例えば空気、酸素、空気と酸素の混合物等に接触させ ることによって、高温燃焼ガスを燃焼ゾーン10で発生させることかできる。或 いは、液体又は気体燃料を添加せずに、予熱オキシダント流を燃焼ゾーンlOに 流してもよい。
高温ガスを発生させる目的で燃焼ゾーンlO中でオキシダント流との接触に使用 するに適切な燃料には、任意の容易に燃焼できるガス、蒸気、液の流れ、例えば 天然ガス、水素、−酸化炭素、メタン、アセチレン、アルコール、ケロシンがあ る。ここで一般に、炭素含有成分、特には炭化水素の含有率の高い燃料を使用す ることが好ましい。本発明のカーボンブラックを製造するために使用する空気と 天然ガスの比は約10:lから、第一段階で天然ガスを供給しない場合の無限大 までであることかできる。高温ガスの発生を容易にするため、オキシダント流は 予熱することができる。
高温ガス流はゾーン10.11から、下流のゾーン12.18.19に流れる。
高温ガスの流れの方向は図に矢印で示しである。カーボンブラック生成用原料は ポイント32(ゾーン12に位置)及び/又はポイント70(ゾーン11に位置 )にて導入する。反応条件下で容易に揮発でき、カーボンブラック生成用炭化水 素原料として使用するに適切なものはアセチレンのような不飽和炭化水素、エチ レン、プロピレン、ブチレンのようなすレフイン、ベンゼン、トルエン、キシレ ンのような芳香族、特定の不飽和炭化水素、及びその他の炭化水素、例えばケロ シン、ナフタレン、テルペン、エチレンタール、芳香族環状油等がある。
先細径11のゾーンの端部からポイント32までの距離をF−1と示す。
一般にカーボンブラック生成用原料30は第一段階の高温ガス流の内部領域に侵 入する複数の流れの形態で注入し、原料を迅速に分解してカーボンブラックに転 化するように第一段階の高温ガスとカーボンブラック生成用原料との高速度の混 合と剪断を確保する。
補助炭化水素はプローブ72を通してポイント70にて導入するか、カーボンブ ラック生成プロセスのゾーン12の境界を形成する壁の中の補助炭化水素の通路 75を通すか、カーボンブラック生成プロセスのゾーン18及び/又は19の境 界を形成する壁の中の補助炭化水素の通路76を通して導入する。本発明の実施 において、補助炭化水素は軸方向の位置で、燃料を第一段階に供給した場合に第 一段階の燃料の初期燃焼反応の直後のポイントから、未反応の補助炭化水素が実 際に反応ゾーンに入るとすればカーボンブラックが生成する端部の直前までの間 に導入することができる。ポイント32からポイント70までの距離をH−1と 示す。
本明細書に記載の例において、補助炭化水素は4つの方法により導入した。即ち 、カーボンブラック生成用原料の流れを包む複数の流れとして(75)、カーボ ンブラックを生成する主な原料を導入する軸方向の面の主なカーボンブラック生 成用原料の油煙の間に位置するゾーン12の外側境界の複数の流れとして(75 )、原料を注入する軸方向の面のゾーン12の中心近くに位置する複数の横の流 れとして(70)、カーボンブラック生成プロセスのゾーン18の周囲の複数の 流れを通して(76)である。ここで特に記すように、これらは単に例示であり 、補助炭化水素を導入するために有用な方法を限定するものではない。
カーボンブラック生成用原料と第一段階の高温ガスはゾーン12を通ってゾーン 18、次いでゾーン19と下流に流れる。水であることができる急冷用流体50 を注入するポイント62に位置する急冷60は、カーボンブラックが生成したと きに化学反応を停止させるために使用する。ポイント62は、熱分解を停止させ る急冷位置を選択するための従来技術で知られている任意の仕方で決めることが できる。熱分解を停止させる急冷位置を決める方法の1つは、カーボンブラック のトルエン抽出レベルが許容できるレベルに到達するポイントを測定することで ある。トルエン抽出レベルは、ASTM試験法D1618−83の「カーボンブ ラック抽出分−トルエン着色」によって測定することができる。Qはゾーン18 の始まりから急冷ポイント62までの距離であり、急冷60の位置によって変わ るであろう。
第一段階の高温ガスとカーボンブラック生成用原料の混合物を急冷した後、冷却 したガスは下流の通常の冷却及び分離手段を通り、そこでカーボンブラックを回 収する。ガス流からのカーボンブラックの分離は集じん機、サイクロン分離器、 バグフィルタ−のような通常の手段によって容易に行われる。この分離の後に、 例えば湿式造粒機を用いて造粒することができる。
本発明によって製造したカーボンブラックの分析特性と物理特性を評価するため に、次の試験手順を使用した。
ヨウ素吸着量(I! No、 ) : ASTM D−1510−70i:よッ テ測定した。
カーボンブラックのジブチルフタレート吸収量(DBPA) :前記のようにA STM試験法叶2414−72によって測定した。記載の結果は造粒しない状態 のカーボンブラックについてである。
本発明の有効性と長所を次の例によって更に説明する。
実施例 本発明の有効性を示すために、本明細IFに充分に記載し、先に記した寸法の図 1に描いた反応器でカーボンブラック生成プロセスの実験を行った。以降に示し た例において4つの反応器入口部分18を使用した。これらの反応器入日部分は 以降において、表1に記載の寸法を有し、図1に描いた反応器入口部分A、B、 C,Dど識別する。
表19例に用いた反応器入口部分 反応器入口部分 ABCD D−4(rn) 0.2286 0.2540 0.2642 0−089D− 5(m) 0.3429 0.6858 0.4572 0.152D−6(m ) 0.4699 0.6858 0.9144 0.152D−7(m) 0 .5842 0.6858 0.9144 0.152L−4(m) 0.17 27 0.3048 0.3048 0.254L−5(m) 0.0559  0.1016 0゜2286 0,0L−6(m) 0.7848 0.0 1 .295 0.0L −7(m) 0.5588 0.0 0.0 0.0例1 から例38までは補助炭化水素を天然ガスとした。例1から例45までは燃焼反 応の初期燃料を天然ガスとした。全ての例においてカーボンブラック生成プロセ スに供給した天然ガスは約298K(77’F)の約室温とした。例1から例4 oまでに使用した液体原料は、表2の第2fIに示した典型的な特性を育する市 販の原料とした。例41から例45までに使用した液体原料は、表2の第3i1 に示した典型的な特性を有する市販の原料とした。
表2.主な原料の特性 表3の例1〜例13に本発明を示しており7、ここで他のプロセス流量を一定に して補助炭化水素を添加すると表面積とストラクチャーが減少している。これら の例において、初期燃焼の2つのレベルと補助天然ガス導入の2つの方法を示す 。
例1〜5 最初の例1〜5を考察し7て、第一段階への天然ガス流量は0.016SCMS (2,25KSCFH) テアリ、燃焼空気の流量ハ0.6343CMS(85 KSCFH)テあり、燃焼空気の予熱温度は755K(900’F)であった。
得られた初期燃焼レベルは約400%と見積もられる。例1は対照標準の運転を 示し、燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.206en+ (0,081イ ンチ)の4つのすリフイス(32)を通して、カーボンブラック生成用原料を1 .9 Xl0−’イ/s(181g[)h)の流量で、得られた第一段階の高温 燃焼ガス流に実質的に横に導入した。得られた全体燃焼レベルは28,3%と見 積もられる。水による急冷は原料注入から7.93メートル(2Gフイート)下 流のポイントで行ったo 72mg/gのヨウ素吸着量と141ce/100g のI)BPAを有するカーボンブラックが得られた。例2においで9原料注入量 を2.05X 10’−’ rr?/s(195gph)に増加することによっ て全体燃焼【ノベルを26.4%に下げたことを除き、操作条件は例1と同じと した。このようにして生成したカーボンブラックのヨウ素吸着量はeomg/g に低下し、DBPAは実質的に変化がながった。例3において、原!注入量を例 1と同じ< 1.9 x 10−’rn’/s(181gpti)iニ一定に保 つコとによって例2と同じ全体燃焼レベルを得たが、原料の流れの間の原料を注 入する軸方向の面に位置する直径0.635 cm(0,25インチ)の4つの オリフィス(75)を通して補助天然ガスを0.018 SCMS(2,4KS CF[()の流量で導入した。例2の結果と対照的にヨウ素吸着量は43mg/ gと大きく低下し、DBPAは1.25cc/100gに低下した。表4のケ− スAに示したように、例1〜3のヨウ素吸着量とDBPA値からSSIは−5, 65と算出される。
例4において、原料注入量を2.14X 10−’イ/s(203gph)に増 加することによって全体燃焼を25.4%に更に下げたことを除き、操作条件は 例1と同じとした。例5において、原料の流れの間の原料を注入する軸方向の面 に位置する直径0.635 cm(0゜25インチ)の4つのオリフィス(75 )を通して補助天然ガスをここでは0.0253CMS(3,4KSCFH)の 流量で添加し、例4と同じ全体燃焼レベルを得た。例5で補助天然ガスの添加に より、例1と比較したヨウ素吸着量は原料添加の例4の約2倍低下し、DBPA は例1に比べて15cc/loog シたが、原料を添加した場合の例4では、 DBPAは例1に比べて3cc/100g増加した。これらの操作条件でのSS Tは、表4のケースBに示したように−3,50に一致する。
例6〜9 例6〜9において、755 K(900°F)に予熱した0、447 SCMS (60KSCFH)の空気と、約298 K(77°F)の周囲温度の0.01 43CMS(1,88KSCFH)の天然ガスをカーボンブラック生成プロセス の第一段階に導入した。
得られた初期燃焼は325%と見積もられる。例6と7は、補助天然ガスなしで 2つの全体燃焼レベルについて行った対照標準の運転を表す。例6において、カ ーボンブラック生成用原料は、燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.206  cm(0,081インチ)の4つのオリフィス(32)を通して、i、43X  10−’rn’/5(136gph)の流量で、得られた高温燃焼ガス流中に 実質的に横に導入した。得られた全体燃焼は26゜1%であり、原料注入位置の 7.39メートル(26フイート)下流のポイントにて水で反応を急冷した。得 られたカーボンブラックはヨウ素吸着量が77mg/gで、DBPAが183e e/ 100gであった。例7において、原料注入量を1.60X 10−’  rr1′/5(152gl)h)に上げ、他の全ての操作条件は一定に保持する ことによって全体燃焼を23.5に下げ、その結果、ヨウ素吸着量は55mg/ gに低下し、DBPAは190cc/100gに増加した。例8に用いた操作条 件は、原料を注入する面の原料の流れの間に位置する直径0.635 cm(0 ,25インチ)の4つのオリフィス(75)を通して、0.025 SCMS( 3,4KSCFH)の補助天然ガスを実質的に横に導入することによって例8の 全体燃焼を22.8%に下げた他は例6の操作条件と同じとした。得られたカー ボンブラックのヨウ素吸着量は30mg/gで、DBPAは168ee/ 10 0gであった。例9においては、例8と同じ方法を用いて0.039 SCMS (5,2KSCFH)の補助天然ガスを添加した。得られたカーボンブラックの ヨウ素吸着量は16mg/gで、DBPAは148cc/100gであった。表 に示した例6と7の結果はSAS、、を計算するために使用し、表に示した例8 と9の結果は例6の結果と組み合わせて表4に示したSAS、、の値を計算する ために使用した。次いでこれらのSAS値は、表4のケースCとDに表示したS SI値を計算するために用いた。表に示したSSI値は0未満である。
例10〜13 例1O〜13は、本発明のプロセスがカーボンブラック生成プロセスに添加する 補助炭化水素の位置に比較的鈍感であることを示す。これらの例において、75 5 K(900@F)に予熱した0、 447 SCMS(60KSCFH)の 空気と、約298 K(77°F)の周囲温度の0.011 SCMS(1,5 2KSCFH)の天然ガスを装置の燃焼ゾーンに導入した。得られた初期燃焼は 400%と見積もられる。例10は対照標準の運転を示し、カーボンブラック生 成用原料は、燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.226 cva(0,0 89インチ)の4つのオリフィス(32)を通して、!、63XIO−’n?/ 5(155gph)の流量で、得られた高温燃焼ガス流中に実質的に横に導入し た。得られた全体燃焼は23.5%と見積もられ、反応は原料を注入する面の7 .93メートル(26フイート)下流のポイントにて水で急冷した。得られたカ ーボンブラックのヨウ素吸着量は48mg/gで、DBPAは179cc/ 1 00gであった。例11において、原料注入量を1.53X10−’rn’/5 (145gph)に下げることによって全体燃焼を25.1%に上げた結果、ヨ ウ素吸着量が59mg/gで、DBPAが169cc/100gのカーボンブラ ックが生成した。例12においては、原料注入面の約25.4 cm(10イン チ)下流に位置する、本発明のカーボンブラック生成プロセスの第三段階の環境 の周りに等間隔に設けた直径0.257 CII+(0,101インチ)の9の オリフィスを通して、0.011 SCMS(1,5KSCFH)の補助天然ガ スを実質的に横に導入することにより例12では全体燃焼を22.2%に下げた ことを除き、例10で用いた操作条件と同じとした。例12の条件から、ヨウ素 吸着量が34mg/gで、DBPAが165cc/100gのカーボンブラック が生成した。例13において補助天然ガスの流量を0.022SCMS(3,0 KSCFH)まで更に増やし、ヨウ素吸着量が20mg/gで、DBPAは13 9cc/100gに減少したカーボンブラックが生成した。これらの例の得られ たSSI値は0より小さく、表4のケースEとFに表示した。
表3.操作条件とカーボンブラックの分析特性何階 12345 m:メートル、K+:カリウム、SCMS :標準rrl’/秒(273に、  101.3kPa)n、a、:適用せず(not applicable)表3 .操作条件とカーボンブラックの分析特性(続き) m:メートル、K″:カリウム、SCMS :標準37秒(273に、 101 .3)cPa)n、L :適用せず(not applicable)m:メー トル、K+:カリウム、SCMS :標準m3/秒(273に、 101.3k Pa)n、L :適用せず(not appl 1cable)表4.ストラク チャー感度指数 ケース ABCDEF 原料添加 1例 1,2 1,4 6.7 6,7 10,1110.11” SAS 0 .083 −0.167 −0.318 −0.318 −0.909 −0. 909(cc/100mg) 補助炭化水素 添加 8例 1.3 1.5 6.8 6,9 10.12 ]、0.13’SAS  O,5520,4170,3190,5731,0001,430(cc/10 0mg) 1ストラクチ −5,65−3,50−2,00−2,80−2,10−2,5 7ヤ一感度指 数 注)例と表示した列1と3の数は、それぞれ列2と4に表示したSASの値を計 算するために使用した例に対応する。SASの値は次に列5に示す5SIO値を 計算するために用いた。
例14〜27は、いろいろな補助炭化水素注入方法を用い、いろいろな初期燃焼 と全体燃焼で操作して本発明を実施する場合、SsIは0より小さいことを示す 。これらの例において、カーボンブラックの表面積を下げる傾向がある補助炭化 水素の添加と、カーボンブラックの表面積を上げる傾向がある原料注入量の低減 とを同時に行って、ヨウ素吸着量をほぼ一定に保った。全てのケースおいて、D BPAとして測定したストラフチャーは、原料の代わりに補助炭化水素を添加す ると減少する。また、他の全ての流量と反応器の構成を一定に保って原料を減ら すと、ヨウ素吸着量で測定する表面積は高くなる。従って、SsI値が0より小 さいことを保証する前記の数学的条件は、例14〜27に用いた全ての反応器の 操作により満たされる。
例14〜17 具体的には、表5に示した例14〜17は、755 K(900°F)に予熱し た0、447 SCMS(60KSCFH)の空気と、約298 K(77°F ) (7)周囲温度(7)0.011SCMS(1,52KSCFH)の天然ガ スをカーボンブラック生成プロセスの第一段階に導入した。例14において、カ ーボンブラック生成用原料は、燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.127  co+(0,050インチ)の6つのオリフィス(32)を通して、1.65 X10−’m/5(157gph)の流量で、得られた高温燃焼ガス流中に実質 的に横に導入した。酢酸カリウム水溶液を添加して原料中の0.74g/rn’ (0,3g/I00gal)のカリウム濃度を維持した。得られた全体燃焼は2 3.4%と見積もられ、原料注入面の7.93メートル(26フイート)下流に て水で反応を急冷した。例14の操作条件により、ヨウ素吸着量が35mg/g で、DBPAが130ee/ 100gのカーボンブラックが生成した。ここで 、このカーボンブラックは、補助炭化水素を添加していないため対照標準運転と して用いる。
例15〜I7において、補助炭化水素のC(炭素)%を0の対照標準のケースか ら結果として2.6%、6.0%、10.4%まで、補助炭化水素を添加し原料 注入量を減らしてヨウ素吸着量をほぼ一定に保ちながら上げたことを除き、全て の点において例14の手順を踏襲した。
補助炭化水素は、原料の先端の回りに天然ガスのさや(75)のようにして添加 した。例15において、補助炭化水素C%は、原料注入量を1、44X 10− ’イ/5(137gph)に減らし、0.007 SCMS(1,OKSCFH )の補助炭化水素を添加することによって2.6%に上げ、結果的に全体燃焼が 23.4%から25.0%に増加した。例16において、原料注入量を1.29 X10−’rrr/5(123gph)に減らし、補助天然ガスの注入量を0, 016SCMS(2,2KSCFH)に上げることによって表面積をほぼ一定に 保持しながら、全体燃焼を26.2%に上げた。例17において、原料注入量を 109X 10−’rr?/5(104gph)に更に減らし、補助天然ガスの 注入量を0.0253CMS(3,4KSCFH)に上げることによって、全体 燃焼を28.2%に上げた。表示した例14〜17の結果は、DBPAが標準の 130cc/100gの値に比べて例15から112.110.100cc/1 00gと補助天然ガスの割合が増すにつれて継続的に低下したことを示す。上記 のように、これらの反応器の操作のSSI値は0より小さいことが数学的に証明 される。
例18〜19 例18は対照標準の運転であり、カーボンブラック生成用原料は、高温燃焼ガス 流の外側周囲に位置する直径0.226 cm(0,089インチ)の4つのオ リフィス(32)を通して、1.63X10−’rn’/5(155gph)の 流量で、得られた高温燃焼ガス流中に実質的に横に導入した。例18で用いた第 一段階の燃焼条件は例14のそれと同じとした。酢酸カリウム水溶液の添加によ って、原料中の13.2g/rr?(5,0g/100gal)のカリウム濃度 を維持した。得られた全体燃焼レベルは23.5%と見積もられ、原料注入面の 7o93メ・−1・ル(26フイート)下流のポインl−に°、−I(を添加し て反応を急冷した。ヨウ素吸着Iが49mg/gで、DBPAが101cc/1 00gの対照標準力〜ボンブラックが生成した。例19において、補助炭化水素 の0%を例18の0から4.0%に上げ、ヨウ素吸着lは原料注入量を1.35 X10−9/5(i28 gph) +、:丁げルコとによッテ’iEI:保ち 、原料注入面の原料の流れの間に位置する直径0.635 cm(0,25イン チ)ノすリフイス(75)ヲ通しテo、oli SCMS(1,5KSCFH)  ノ補助炭化水素を実質的に横に導入した。このようにして一定のヨウ素吸着量 にて0%を上げ、例18の対照標準のケースよりも約23ポイン■低い78cc /100gのDBPAを有するカーボンブラックが生成した。
表5.操作条件とカーボンブラックの分析特性例魔 14 15 16 0にメートル、 K+:カリウム、SCMS :標準m3/秒(273に、 1 01.3kPa)n、a、:適用せず(not applicable)測定  17 18 19 急冷圧力kPa 517 517 476急冷温度K 1.004 1.006  1.006ヨウ素吸着量(mg/g) 37 49 50DBP吸収量(cc /100g) 100 101 78m二メートル、K+:カリウム、SCMS  :標準r111/秒(273に、 101.3kPa)n、a、:適用せず( not applicable)表6に示した例20〜27は、例1−19で用 いた燃焼レベルより低いレベルが、SSIがOより小さい条件下の本プロセスの 操作に対しても適切であることを示す。
例20〜25 例20〜25において、250%の初期燃焼に操作しながら、補助天然ガスの注 入量を増やし、同時に原料の注入量を減らして一定のヨウ素吸着量においてスト ラフチャーの低いカーボンブラックを製造した。例20は対照標準の運転であり 、755 K(900°F)に予熱した0、 634SCMS(85KSCFH )の空気と、約298 K(77°F)の周囲温度の0.026 SCMS(3 ,5KSCFH)の天然ガスを第一段階に導入した。得られた初期燃焼は250 %と見積もられる。カーボンブラック生成用原料は、高温燃焼ガス流の外側周囲 に位置する直径0.206 cm(0,081インチ)の4つのオリフィス(3 2)を通して2.49X 10−’rri’/5(237gph)の流量で、得 られた高温燃焼ガス流中に実質的に横に導入した。酢酸カリウム水溶液の添加に よって、原料中の26.93g/rr?(10,2g/100gal)のカリウ ム濃度を維持した。得られた全体燃焼レベルは21.1%と見積もられ、原料注 入面の7.93メートル(26フイート)下流のポイントに水を添加して反応を 急冷した。ヨウ素吸着量が49mg/gで、DBPAが122cc/100gの 対照標準カーボンブラックが得られた。例21において、0.036SCMS( 4,8KSCFH)の補助炭化水素を加え、同時に表面積をほぼ一定に保つため に原料注入量を1.74X10−’ni’/5(165gph)に下げることに より、例21において補助炭化水素の0%を9.2%に上げたことを除き、例2 0の手順を踏襲した。補助炭化水素は、原料注入面の原料の流れの間に位置する 直径0.635 cm(0,25インチ)の4つのオリフィス(75)を通して 実質的に横に添加した。得られたカーボンブラックは、DBPAの測定で76c c/100gのストラフチャーを有した。
例22は、原料注入量を2.22xlO−’rn”/5(211gph)に下げ 、結果として見積もりの全体燃焼レベルが23.5%に増加したことを除き、例 20の条件下で行った対照標準ケースである。この操作はヨウ素吸着量が60m g/gで、DBPAが102CC/ longの対照標準カーボンブラックを生 成した。例23において、補助天然ガスの流量を0.031 SCMS(4,I KSCFH)に増加し、原料注入量を1.63X 10−’ m/5(155g ph)に下げることにより、補助炭化水素の0%を8.4%に上げながらヨウ素 吸着量を60mg/gのほぼ一定に保持した。補助天然ガスは、原料注入面の原 料の流れの間に位置する直径0.635 cm(0,25インチ)の4つのオリ フィス(75)を通して実質的に横に添加した。得られた全体燃焼レベルは27 %と見積もられる。このようにして生成したカーボンブラックのストラフチャー は79cc/ 100gに低下した。
例24の参照標準運転は例20とほぼ同じ操作条件を用いて行い、ヨウ素吸着量 が47a+g/gで、DBPAが122cc/ 100gの同様なカーボンブラ ックを生成した。例25の条件は、原料注入量を2.03X 10−’rr// S(193gph)に下げてヨウ素吸着量を一定に保持しながら、中央に位置す るプローブ(72)の円周を囲んで等間隔に設けた直径0.345 am(0, 136インチ)の6つのオリフィスを通して06022 SCMS(2゜9 K SCFH)の補助天然ガスを実質的に横に添加することによって補助炭化水素の 0%を5.0%に上げたことを除き、例24の条件を使用した。得られたカーボ ンブラックのDBPAは100cc/ 100gであった。
表6.操作条件とカーボンブラックの分析特性m;メートル、K+:カリウム、 SCMS :標準%/秒(273に、 101.3kPa)n、a、:適用せず (not applicable)測定 23 24 25 ヨウ素吸着量(mg/g) 61 47 47DBP吸収量(cc/loOg)  79 122 100m=メートル、Kゝ:カリウム、SCMS :標準ボッ 秒(273に、 101.3kPa)n、a、:適用せず(not appli cable)例26〜27 表7の例26と27は、147%の初期燃焼における本発明を示す。例26にお いて、755 K(900°F)の温度に予熱した0、447 SCMS(60 KSCFH)の空気と、約298 K(77°F)の周囲温度の0.031.  SCMS(4,2KSCFH)の天然ガスを第一段階の燃焼ゾーンに導入した。
カーボンブラック生成用原料は、高温燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0. 185cm(0,073インチ)の4つのすリフイス(32)を通して1.64  X 10−’ rr?/5(156gph)の流量で、得られた高温燃焼ガス 流中に実質的に横に導入した。酢酸カリウム水溶液の添加によって、原料中の4 3.82g/IT1″(16,6g/100gal)のカリウム濃度を維持した 。得られた全体燃焼レベルは21.1%と見積もられ、原料注入面の7.93メ ートル(26フイート)下流のポイントに水を添加して反応を急冷した。ヨウ素 吸着量が61mg/gで、DBPAが122cc/loOgの対照標準カーボン ブラックが生成した。
例27の条件は、原料注入量を9.79X 10−’rr?/5(93gph) に下げてヨウ素吸着量を一定に保持しながら、原料を注入する軸方向の面の原料 の流れの間の直径0.635 am(0,25インチ)の4つのオリフィス(7 5)を通して0.036 SCMS(4,8KSCFH)の補助天然ガスを実質 的に横に添加することによって補助炭化水素の6%を14.2%に上げたことを 除き、例26の条件を使用した。得られたカーボンブラックのDBPAは99c c/100gに低下した。
表7.操作条件とカーボンブラックの分析特性例Nll 27 ヨウ素吸着量(mg/g) 61 60DBP吸収量(ce/100g) 12 2 99m:メートル、K″:カリウム、SCMS :標準d/秒(273に、  101゜3kPa)n、a、:適用せず(not applicable)表 8に記した例28〜37は、原料の噴霧や注入方法によらず0より小さいSSI を生成する本プロセスの能力を示す。例28〜32は、実質的に横方向の加圧噴 霧原料注入を用いた本プロセスを示す。例33〜37は、実質的に軸方向の加圧 噴霧原料注入を考察する。これらの例は、ヨウ素吸着量とDBPAを下げるため の原料注入と補助炭化水素の添加を比較する。
例28〜32 例28−32において、755 K(900°F)の温度に予熱した0、447  SCMS(60KSCFH)の空気と、約298 K(77°F)の周囲温度 の0.0113CMS(1,52KSCFH)の天然ガスを第一段階に導入した 。得られt:初期燃焼は400%と見積もられる。これらの例において、カーボ ンブラック生成用原料は、プロセスに注入する原料に角速度成分を付与すること によって霧化を容易にするスピナインサートをそれぞれ備えた直径01079e i+(0,031インチ)4つのオリフィス(32)を通して実質的に横に導入 した。補助炭化水素の添加なしで原料注入量の変化に応答する表面積どストラク チャーを実際に示すため、例28.29.31において原料注入量を1゜26X  10−’m/5(120gph)から、1.40X 10−’rn’/5(1 33gph)、1、54 X 10−’イ/5(146gph)にそれぞれ増や した。例30と32において、第一段階の燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径 0.635 cm(0,25インチ)の4つのオリフィス(75)を通しC補助 天然ガスを、それぞれ0.0153CMS(2゜OKSCFH) 、 0.02 9 SCMS(3,9KSCFH)の流量で添加した。原料注入lは、例28の 原料注入量と同じ< 1.26x 10−’rn’/s(120gph)の一定 とした。
例28〜32の得られたSSIを、表9のケースGとH(:表示した。
SSMは0より小さく、反応ゾーンに流入する原料が霧化されたか凝集性である かによらず本発明か実施可能であることを示す。
例33〜37 例33〜37においては、本プロセスの第二段階の軸の中心から約0、25m( 0,1インチ)引っ込めたプローブ72の端部から噴出する、直径0.305  cm(0,120インチ)の加圧噴霧オイルチップ(70)を通して、プロセス の実質的に軸方向の下流にそれぞれ原料を注入したごとを除き、例28〜32の 手順を繰り返した。オイルチップは、MonarchManufacturin g社(フィラデルフィア、ペンシルバニア州、米国)より購入したMonarc hスプレ・−デツプNo、 F−94−120−45であった。
例33〜37から得られたSSTを表9のケース■とJに示した。
SSIは0より小さく、原料が反応ゾーンに軸方向又は横方向に注入されたかに よらず本発明が実施できることを示す。原料注入と噴霧についての任意のこの他 の商業的な方法もまた本発明と組み合わせて使用するに適切であろうと期待され 、従って、本発明のプロセスは、カーボンブラック生成プロセスに原料を注入す るどのような特定の方法にも限定されない。
表8、操作条件とカーボンブラックの分析特性側石 28 29 30 31 m=メートル、K″:カリウム、SCMS :標準rrIl/秒(273に、  +01.3kPa)n、a、:適用せず(not applicable)表8 .操作条件とカーボンブラックの分析特性(続き) I11=メートル、K+:カリウム、SCMS +標準rn’/秒(273に、  101.3kPa)n、a、:適用せず(not applicable)例 Ni1 35 36 37 m:メートル、K+:カリウム、SCMS :標準rrlI/秒(273に、  101.3kPa)n、a、:適用せず(not applicable)表9 .ストラクチャー感度指数 原料添加 1 例 28,29 28,31 33,34 33.36” 5AS(cc/ 100mg) −0,933−0,468−3,200−1524補助炭化水素 添加 3 例 28.30 28.32 33,35 33.37’ 5AS(cc/ 100mg) −0,0810,222−1,529−0,2295ストラクチ ヤー 感度指数(SS I) −0,91−1,47−0,52−0,85注)例と表 示した列1と3の数は、それぞれ列2と4に表示したSASの値を計算するため に使用した例に対応する。SASの値は次に列5に示すSSIの値を計算するた めに用いた。
例38−40 表11の例38=−40は、軽質液体炭化水素を補助炭化水素とI7て使用しな がら本発明のプロセスを示す。液体炭化水素は銘柄デ、イーゼノ1、D−2タイ プの市販のディーゼル燃料であり、次の表10に示した典型的な特性を有した。
表10.液体補助炭化水素の特性 (ディーゼル燃料タイプD−2) H/Cの比 1.68 水素(重量%’> 12.2 炭素(重量%) 86.5 硫黄(重量%)0.3 窒素(重量%) <0.1 API比重288.6/288.6K 35.4比重 288.6/288.6 K 01848粘度1327.4K (m”/s) 2.7x 10−’粘度1 371.9K (m”/s) < 1.8X10−’これらの例において、75 5 K(900°F)の温度に予熱した0、6343CMS(85KSCFH) の空気と、約298 K(77°F)の周囲温度の0.0163CMS(2゜1 6KSCFH)の天然ガスを燃料ゾーンに導入した。得られた初期燃焼は400 %と見積もられる。例38は対照標準の運転を表し、カーボンブラック生成用原 料は、燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.206 cmco、ostイン チ)の4つのオリフィス(32)を通してl。9 xlO−’r111/s(+ 、81 gph)の流量で、ゾーン12に実質的に横に導入した。得られた全体 燃焼は2862%と見積もられ、原料注入面の7.93メー川・ル(26ノイー  1・)下流のポイントに水を添加して反応を急冷しf、1 、得られたカーボ ゛、/ブラックはヨウ素吸着量が70mg/gで、DBPA′h< 150cc /100g″′(コあった。例39において、ディーゼル燃料を4.53x 1 0−’rrr/5(43gph)の流量で原料の流れに混合し、次いで混合した 原材とディーゼル燃料の流れをカーボンブラック生成プロセスに導入することに よって全体燃料を例39においては23.6%に下げたことを除き、例38で用 いた操作条件と同じとした。カーボンブラック生成用原料とディーゼル燃料の混 合物は、燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.226 cm(0,089イ ンチ)の4つのオリフィス(32)を通して高温燃料ガス流中に実質的に横に導 入した。このようにして製造したカーボンブラックは、ヨウ素吸着量が3tmg /gで、DBPAか141cc/100gであった。例40においては、カーボ ンブラック生成用原料の注入量を2.21 X 10−’ rd/5(210g ph)に増やして全体燃焼を例40においては24.5%に下げたことを除き、 例38の操作条件と同じとした。例40においては、燃焼ガス流の外側周囲に位 置する直径0.226 cm(0,089インチ)の4つのオリフィス(32) を通して高温燃料ガス流中に実質的に横に原料を導入した。このようにして製造 したカーボンブラックは、ヨウ素吸着量が45mg/gで、DBPAが147c c/ 100gであった。例38〜40のS A S値から計算して得られたS SI値は0より小さく、表12のケースKに示した。
表11.操作条件とカーボンブラックの分析特性測定 38 39 40 IIl二メートル、K″′ :カリウム、SCMS :標準rrlI/秒(27 3に、 101.3kPa、)n、a、:適用せず(not applical rle)表12.ストラクチャー感度指数 原料添加 1 例 28.29 2S A S (ce/100mg) −o、 933補助炭化水素添加 3 例 28.30 ’ S A S (cc/I00mg) −0,0815ストラクチヤー 感度指数(SST) −0,91 注)例と表示した列1と3の数は、それぞれ列2と4に表示したSASの値を計 算するために使用した例に対応する。SASの値は次に列5に示すSSIの値を 計算するために用いた。
例41〜45 表13の例41〜45において、補助炭化水素を添加し、その他のプロセス流量 か一定であると表面積とストラフチャーが減少する本発明の例を示す。これらの 例において、755 K(900’F)に予熱した0、101sc101sc、  5 N5CFH)ノ空気と、約298 K(77°F) (7)周囲温度ノ0 .003SCMS(0,348KSCFH)の天然ガスを燃焼ゾーンに導入した 。得られた初期燃焼は400%と見積もられる。原料注入面の約4.9メートル (16フイート)下流のポイントにて反応を水で急冷した。
例4Iは対照標準の運転を表し、カーボンブラック生成用原料は、燃焼ガス流の 外側周囲に位置する直径0.102 cm(0,040インチ)の3つのオリフ ィス(32)を通して2.65x 10−’rr11/5(25,1gph)の 流量で実質的に横に導入した。得られた全体燃焼は32.0%と見積もられる。
得られたカーボンブラックは、ヨウ素吸着量が92mg/gで、DBPAが14 2cc/ 100gであった。
例42において、原料注入量を2.407x IF’rn”/5(22,8gp h)に下げることによって全体燃焼を例42においては35.0%に上げたこと を除き、例41で用いた操作条件と同じとした。カーボンブラック生成用原料は 、第一段階の燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.09I CIn(0,0 36インチ)の3つのオリフィス(32)を通して高温燃焼ガス流中に実質的に 横に導入した。このようにして得られたカーボンブラックは、ヨウ素吸着量が[ 7mg/gで、DBPAか153cc/100gであった。
例43において、補助炭化水素として天然ガスを原料チップの周りにさや状(7 5)に添加することによって例43においては全体燃焼を29.4%に下げたこ とを除き、例41で用いた操作条件と同じとした。
例43においては、0.003 SCMS(0,37KSCFH)の天然ガスを 添加することによって補助炭化水素の0%を5.1%に上げた。例43において 、カーボンブラック生成用原料は、燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.1 02 cm(0,040インチ)の3つのオリフィス(32)を通して高温燃焼 ガス流中に実質的に横に導入した。このようにして得られたカーボンブラックは 、ヨウ素吸着量が60 B/gで、DBPAが121.8cc/100gであっ た。表14のケースLに示したように、例41〜43のSAS値から計算して得 られたSSI値は0未満である。
例44において、補助炭化水素としてプロパンガスを原料チップの周りにさや状 (75)に添加することによって例44においては全体燃焼を28.7%に下げ たことを除き、例41で用いた操作条件と同じとした。
例44においては、0.001 SCMS(0,20KSCFH)のプロパンガ スを添加することによって補助炭化水素の0%を8.0%に上げた。例44にお いて、燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.102 cm(0,040イン チ)の3つのオリフィス(32)を通して高温燃焼ガス流中に実質的に横に原料 を導入した。このようにして得られたカーボンブラックは、ヨウ素吸着量が49  mg/gで、DBPAが114cc/ 100gであった。表14のケースM に示したように、例41.42、及び44についてのSAS値から計算して得ら れたSSI値は0未満である。
例45において、補助炭化水素として水素ガスを原料チップの周りにさや状(7 5)に添加することによって例45においては全体燃焼を30.5%に下げたこ とを除き、例41で用いた操作条件と同じとした。
例45においては、0.006 SCMS(0,875KSCFH)の水素ガス を添加することによって補助炭化水素のH%を2.1%に上げた。例45におい て、燃焼ガス流の外側周囲に位置する直径0.102 cm(0,040インチ )の3つのすリフイス(32)を通して高温燃焼ガス流中に実質的に横に原料を 導入した。このようにして得られたカーボンブラックは、ヨウ素吸着量が77  mg/gで、DBPAが134CC/100gであった。表14のケースNに示 したように、例41.42、及び45についてのSAS値から計算して得られた SSI値は0未満である。
表13.操作条件とカーボンブラックの分析特性m:メートル、K“、カリウム 、SCMS :標準rd/秒(273に、 101.3kPa)n、L :適用 せず(not appl 1cable)表14.ストラクチャー感度指数 原料添加 例 41.42 41,42 41.42S A S (cc/100mg)  0.448 0.448 0.448補助炭化水素添加 例 41.43 41.44 41.45S A S (cc/100+ng)  0.612 0.644 0.507ストラクチヤー 感度指数(SSI) −0,37−0,44−0,13注)例と表示した列lと 3の数は、それぞれ列2と4に表示したSASの値を計算するために使用した例 に対応する。SASの値は次に列5に示す5SIO値を計算するために用いた。
前記の例は、初期燃焼と全体燃焼の適切な範囲の条件下において基本的に未反応 の補助炭化水素が反応ゾーンに入り込むような仕方で多数段階の本カーボンブラ ック生成プロセスに補助炭化水素を添加すると1、原料又は補助炭化水素を添加 するために使用する方法によらず、所与の全体燃焼レベルにおいて、通常の原料 添加方法によって得られる表面積よりも低い表面積のカーボンブラックが得られ ることを示している。更に、これらの例は、本発明が所与の表面積における通常 の力・−ボンブラックのストラフチャ・−よりも低いストラフチャーを得ること を可能にすることも示している。ここで限定したような操作でプロセスに補助炭 化水素を添加すると、0より小さいSSIとなる。
本発明は特定の態様について記載しているかこれらに限定されるものではなく、 当業者であれば本発明の目的や範囲から外れることなく種々の変化や改良を加え ることができると理解すべきである。
フロントページの続き (81)指定図 EP(AT、BE、CH,DE。
DK、ES、FR,GB、GR,IT、LU、MC,NL、 SE)、 AT、  AU、 BB、 BG、 BR,CA、 CH,C3,DE、 DK、 ES 、 FI、 GB、 HU、JP、 KR,LK、 LU、 MG、 MW、  NL、 No、 PL。
RO,RU、 SD、 5E (72)発明者 ヤテス、バリー ジョンアメリカ合衆国、マサチューセッツ 02173 、レキシントン、バターフィールドロード 3

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.所与の表面積での通常のストラクチャーよりも低いストラクチャーと所与の 全体燃焼レベルでの通常の表面積よりも低い表面積を呈するファーネスカーボン ブラックを多数段階で製造する方法であり、第一段階においてカーボンブラック 生成用炭化水素原料がカーボンブラックに転化するに充分なエネルギーを有する 高温ガス流を形成し、該高温ガス流は第二段階に進入し、第二段階において原料 を該高温ガス流中に注入し、次の段階において原料をカーボンブラックに転化し 、次いで急冷によってカーボンブラック生成反応を停止し、次いで冷却、分離し て得られたカーボンブラックを回収する方法であって、ほぼ原料注入箇所からほ ぼ急冷箇所までに位置し、そこで原料にカーボン粒子を生成するカーボン生成反 応を行わせる反応ゾーンに本質的に未反応の補助炭化水素を導入し、初期燃焼レ ベルと全体燃焼レベルをストラクチャー感度指数(SSI)が0より小さい値と なるように調節し、該SSIは次の式より求めた値であるカーボンブラックの製 造方法。 SSI=SASmf−SASab/|SASmf|SASmf=Δ(DBP)m f/Δ(ヨウ素吸着量)mfSASab=Δ(DBP)ab/Δ(ヨウ素吸着量 )ab|SASmf|=SASmfの絶対値 Δ(DBP)mf=原料注入量を変化させ、その他のプロセスの操作条件は一定 にしたことによるカーボンブラックのDBPAの変化Δ(ヨウ素吸着量)mf= 原料注入量を変化させ、その他のプロセスの操作条件は一定にしたことによるカ ーボンブラックのヨウ素吸着量の変化 Δ(DBP)ab=補助炭化水素注入量を変化させ、その他のプロセスの操作条 件は一定にしたことによるカーポンプラックのDBPAの変化 Δ(ヨウ素吸着量)ab=補助炭化水素注入量を変化させ、その他のプロセスの 操作条件は一定にしたことによるカーポンプラックのヨウ素吸着量の変化
  2. 2.第一段階で生成させる高温ガス流が燃料とオキシダントの燃焼生成物である 請求の範囲第1項に記載の方法。
  3. 3.第一段階で生成させる高温ガス流がオキシダントである請求の範囲第1項に 記載の方法。
  4. 4.補助炭化水素が気体の状態である請求の範囲第1項に記載の方法。
  5. 5.補助炭化水素が液体の状態である請求の範囲第1項に記載の方法。
  6. 6.初期燃焼レベルが140〜1000%である請求の範囲第1項に記載の方法 。
  7. 7.原料を燃焼ガス中に実質的に軸方向に注入する請求の範囲第1項に記載の方 法。
  8. 8.原料を燃焼ガス中に実質的に横方向に注入する請求の範囲第1項に記載の方 法。
  9. 9.補助炭化水素を反応ゾーン中に実質的に横方向に注入する請求の範囲第1項 に記載の方法。
  10. 10.補助炭化水素を反応ゾーン中に実質的に軸方向に注入する請求の範囲第1 項に記載の方法。
  11. 11.補助炭化水素を高温燃焼ガス流に実質的に接線方向に注入する請求の範囲 第1項に記載の方法。
  12. 12.補助炭化水素を、原料注入箇所より反応器の直径の0.5倍の長さ上流か ら原料注入箇所より反応器の直径の0.5倍の長さ下流まで軸方向に広がる領域 に注入する請求の範囲第1項に記載の方法。
  13. 13.補助炭化水素は炭化水素質であり、補助炭化水素の炭素含有量を反応体の 合計炭素含有量の約60重量%未満の量で導入する請求の範囲第1項に記載の方 法。
  14. 14.補助炭化水素は炭化水素質であり、補助炭化水素の炭素含有量を反応体の 合計炭素含有量の約30重量%未満の量で導入し、補助炭化水素は気体状態であ る請求の範囲第1項に記載の方法。
  15. 15.補助炭化水素は炭化水素質であり、補助炭化水素の炭素含有量を反応体の 合計炭素含有量の約15重量%末満の量で導入し、補助炭化水素は気体状態であ る請求の範囲第1項に記載の方法。
  16. 16.補助炭化水素は水素であり、補助炭化水素の水素含有量を反応体の合計水 素含有量の約60%未満の量で導入する請求の範囲第1項に記載の方法。
  17. 17.補助炭化水素は水素であり、補助炭化水素の水素含有量を反応体の合計水 素含有量の約30%未満の量で導入する請求の範囲第1項に記載の方法。
  18. 18.補助炭化水素は水素であり、補助炭化水素の水素含有量を反応体の合計水 素含有量の約15%未満の量で導入する請求の範囲第1項に記載の方法。
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