JPH06511224A - 炭化水素の分解方法 - 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】 炭化水素の分解方法 本発明は、水素及びカーボンブラックの製造のための炭化水素の分解方法に関し 、該方法は、反応室内でトーチによる熱分解工程を用いるものである。

カーボンブラックの伝統的な製造方法は、空気の供給による炭化水素の燃焼から なる。その達成される品質は、空気又は酸素の供給、及び過剰の又は不足した異 なる量の酸素の使用に依存する。公知の方法において、炭化水素の実質的な部分 は、分解に充分なエネルギーを供給することにより消費され，従って、カーボン ブラックは比較的低い収量にしかならない。低い収量に加えて、二酸化炭素及び 窒素酸化物の両方が生じるので燃焼方法は環境汚染を起こす。この方法からの廃 ガスは燃料ガスとしてしか使用できない。

炭化水素の分解のために、プラズマトーチを使用する他の熱分解方法も用いられ てきたが、工程の停止と費用のかかるクリーニング操作の原因となる電極への堆 積を生じるこれらの方法を連続的な生産に使用することができなかった。

炭化水素の熱分解により生じる炭素は、二つの異なる品質のもの、即ち、カーボ ンブラックとコークス（熱分解炭素）に分けられる。カーボンブラックは、軽く 、柔らかく、密度が低く、気相で生産される。これに対し、コークスは、より硬 く、密度が高《、比較的低い温度、通常１１００℃より低い温度で、表面で生産 される。

本発明の目的は、余分なエネルギーを供給することなく、分解生成物を汚染する 物質又はガスを使用することなく、熱分解により炭化水素を分解するための改良 された方法を提供することにある。本発明の別の目的は、装置のクリーニングの ための停止なしに連続的に行うことができ、同時に、原料を可能な限り完全に所 望の生成物に転化することのできる方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、得られた生成物の品質を広範囲にわたって制御し、確認す ることのできる方法を提供することにある。

本発明の最後の目的は、環境を汚染することなく行い得る方法を提供することに ある。

本発明は、さらに、そのような方法を行うのに使用され得る装置をも含む。

上記の目的は、提出した請求の範囲に記載の請求項の特徴により特徴づけられる 方法及び装置により達成される。

第一に、本発明は、カーポンブラック成分の品質及び密度を要求に応じて制御で きる水素及びカーボンブラックの製造を意図するものである。

本発明において、原料、即ち炭化水素はプラズマトーチに供給され、プラズマト ーチの活性ゾーンは少なくとも二つの反応ゾーンからなり、工程はいくつかの段 階に分けることができる。従って、本発明による方法は、個々のゾーンのための パラメーターが生成物の品質を決定できる段階に分けられた反応工程である。こ の方法の最初の反応ゾーンにおいて、熱分解が行われ、まず炭素の粒子が生じ、 気相における高分子が滴に凝縮し、これが水素化して固体の炭素になる。従って 、ここで、第一の分解が得られ、目的の二つの主なフィードストック、即ち水素 及びカーボンブラックが得られる。第一の炭素粒子の数、及びこれらの大きさは 、この反応ゾーンにおける温度と圧力によって制御され得る。これは、炭化水素 の供給量を、トーチにより発せられるエネルギー供給との関連で調節することに より、又は第一の反応ゾーンにおける粒子の滞留時間を調節することにより行わ れる。

炭素生成物の品質並びにその性質は、それらの反応ゾーンを通しての別の工程に より決定される。第一の反応ゾーンからの生成物を次の反応ゾーンで急冷すると 、最も良い品質が得られる。第二の反応ゾーンにおける第二のフィード流中へ追 加の炭化水素を混合することは、ゾーン１で製造された粒子を成長へと導く。こ のようにして、より大きな粒子の、より高密度の、そしてより小さい表面を有す る生成物が得られる。続いてのいかなる反応ゾーンにおける炭化水素の混合物の 量も、炭素粒子の大きさを決定するであろう。最も大きな粒子とするためには、 それらの反応ゾーンにおけるＣ−Ｈ−０化合物の供給により加え得る追加のエネ ルギーが要求されるであろう。それとは別に、追加のエネルギーはこれらのゾー ンに配置されたプラズマトーチによって供給され得る。そのような選択的手段及 び追加のエネルギーの供給は製品の品質の制御を可能とする。

本発明よる方法が、炭化水素の殆ど１００％の炭素及び水素の収量を提供し、そ れらの生成物は反応工程において全く汚染されないことが見出された。さらに、 製造されたカーボンブラックの品質を、所望の大きさ、表面、密度及び酸性度の いずれについても、分解生成物の純度に影響を与えることなく調節することがで き、同時に、該方法は、従来用いられていた製造方法に比べて、非常に少ないエ ネルギーしが使わない。

これは、発熱する分解エネルギー、例えば、追加の原料の分解のためのものを利 用できるという事実に起因する。

本発明による方法において、フィードストックとしてメタンが選択されたが、疑 いなく、他の形態の炭化水素、並びに、天然のガス又は成分を用いることができ 、従って、本発明による方法は、実質的に炭化水素のために用いることができる 。

カーボンブラックの製造のための反応経路は、熱分解により製造されたこれらの 炭化水素がまずアセチレン（エチン）に転化し、続いて、芳香族コアが重合して 高分子、即ち、高分子量を有する大きな分子を生成する事実にあると考えられる 。これらの高分子は過飽和になり、このため液滴に凝縮し、さらにこれが固体の 炭素分子を熱分解する。一旦、液滴が生じると、もはや過飽和を達成することは できない。このことは、生じた高分子が、既に生成しているこれらの滴又はベレ ットに吸着されるという事実による。この吸着は高分子の形成よりも急速に起こ る。その結果、生成する初期の粒子の数が決定され、これは圧力、温度及び反応 剤にのみ依存する。このことは、製造される生成物の品質の制御のための基礎を 形成する。例えば、もし、炭化水素が既に液体の滴が生じている領域に導入され ると、新しい粒子は生じず、既に存在する粒子が大きくなる。ここに添加された 炭化水素は、既に生じている粒子にそれ自身を堆積する高分子を形成するであろ う。

生成した炭素の物理的性質は、温度により変化するであろう。より高い温度では 、製造されるカーボンブラックは、より空隙の多いものとなるであろう。圧力の 関係も、この点について重要であろう。品質は、高分子がどの分子からなるか、 及びそれらがどのように結合しているかに、密接に関連する。

本発明による方法において使用するための装置は、原則として、その活性領域が 圧力及び温度制御装置を備えた反応室内に位置するメインプラズマトーチと、そ して場合によっては追加のトーチとを含む。該反応室は、ガスと炭素のための出 口を備えており、そこからブランチパイプが、熱エネルギーの再循環のためのプ ラズマトーチへのリターンパイプを備えた熱交換器へ延在する。

下記の部分において、実施態様及び本発明による装置の構成の本質を単に概略的 に示す図面を用いて、本発明の方法をより詳細に説明する。

これに関連して、図面中の装置が、原理的な構造を説明するためのものにすぎず 、本発明の方法の個々の段階を明らかにする意図を有するものであることを強調 しなければならない。それでも、当業者にとっては、この説明は本発明による装 置の構造における手引となるであろう。

この図示された実施例において、使用のために選択された原料は、現段階で本方 法に最も適すると思われる炭化水素、即ち、メタンである。

従って、本発明による装置は、原則として、二つの主な構成要素、即ち、Ａで示 されるプラズマトーチと、反応室Ｂを含む。便利であると考えられる場合には、 この反応室をいくっがの部分に分けることができることは明らかである。さらに 、反応室ＢのプラズマトーチＡから離れている端部には、一般的な参照記号Ｃで 示される、反応生成物のための出口手段が存在する。

Ａにより模式的に示されたプラズマトーチは、出願人の同時出願されたノルウェ ー国特許出願第９１４９０７号に詳細に記載されており、従って、ここではその 構造を詳細には記載しない。異なる構造のトーチを使用することも可能である。

メタンは、導入管１を通って反応室Ｂに導入される。導入管１は、好ましくは液 体冷却され、外側の熱絶縁層でコーティングされ、管状のプラズマトーチＡ内で 内側電極２と同軸に配置されている。ノズルをプラズマゾーンに関連して位置決 めするために、導入管ｌは、軸方向に移動される。導入管１を通って導入される メタンが、ノズルを離れる時に低温であることは極めて重要である。メタンの温 度が約６５０−７００’Ｃの値を超えると、分解が早く始まり過ぎる。これは、 メタンがプラズマ炎に到達する前に、分解生成物が導入管ｌ内で生じ得ることに なり、これにより、フィード管の壁面及びプラズマトーチの電極上へのコークス の形態の生成物の堆積が起こるため、好ましくない。従って、導入管に供給され る生成物が、このタイプの汚れを避けるための適正な冷却を受けることが必要で ある。

プラズマトーチＡは、管状電極２，３．４からなり、最も内側の電極２には一方 の極の直流電圧が供給され、二つの外側の電極は反対の極につながれている。各 電極は軸方向で互いに独立に配置することができる。

全ての電極はグラファイトでできており、消耗時には交換することができ、その 結果、本方法は連続性を維持しうる。電極が、炭素であるグラファイトでできて いることは、一つの利点である。電極は本方法を汚染せず、逆に、本方法の必須 の部分となり、腐食した部分は、反応剤と同じように、工程の中で転化される。

電極はまた、本工程で生じ、特に汚染材料を含まない炭素から製造されることが でき、従って、自給（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）となる。プラズマトー チからのアークが燃焼する領域の反応器のライニングには、電磁コイル５が挿入 されており、これはアークが燃焼する領域の磁場を調整することを可能にする別 の電源に接続されている。このような方法で、アークの回転率を調節することが でき、同時にアークは、長手方向に、即ち二つの最も内側の電極の間の燃焼から 、最も内側の電極と最も外側の電極の間の燃焼へと延びる。使用されるプラズマ ガスは水素であり、これは本方法で製造され得る。

図示された実施例中の炭化水素、即ち、メタンのための導入管ｌを有するプラズ マトーチＡは、内壁がグラファイトからなる反応室Ｂの入口に配置される。プラ ズマトーチＡ及び導入管ｌは軸方向に移動し得るので、容量及び滞留時間及び温 度を調節することができる。この工程のための活性領域をゾーンｌとして示す。

この最初の反応ゾーンにおいて、液滴の数が決定される。温度も、プラズマトー チへの電力とメタンの量との比により調節され得る。ゾーンｌ、即ち最初の反応 ゾーンにおいては、本発明による方法の三つの段階が行われ、三つの異なる領域 に分けられる。これを以下に記載する・ （下記に記載した領域は、図中にローマ数字で示す）この領域においては、混合 していないメタンを、ここでは実質的に反応が起こらないような低温で、導入す る。温度は、１０００’Ｃより低い温度である。高いフィード速度では、メタン の一部は転化せずに次の反応ゾーン、即ち反応室Ｂ中のゾーン２として示した反 応ゾーンに抜けてしまう可能性がある。メタンは約７００℃で反応し始めるが、 １０００でより低い温度では、反応速度が遅く、領域Ｉ内の材料の大部分は反応 しない。領域■とローマ数字のＩＩの間の境界領域では、温度は１０００と１２ ００℃の間である。

！騰旦 領域Ｉの周囲には、プラズマガスを燃焼させるための領域があるが、その工程は 著しく高い温度で起こる。この領域では反応は起こらない。

領域目■ このプラズマガス領域の外側には、メタンとプラズマガスとの混合が起こる領域 がある。既に述べたように、プラズマガスの温度は著しく高いが、該混合物中の 温度は、アセチレン（エチン）の著しく吸熱的な生成のため、下げられている。

ここでの温度は、１２００と２０００℃との間であろう。トーチから最も離れた 反応器の中央領域の温度が最も低いことがわかるであろう。反応器の壁と領域Ｉ ＩＩとの間では、生じた液滴が完全に脱水素化される前にそれらが壁に堆積する 可能性がある。これらの液滴は、反応器に、除去することが困難な硬いコーティ ングを生じさせ得る。

領域１−１１１　を含むゾーンｌからの生成物流又はフィード流は、この部分の 温度及び圧力に基づいて炭素粒子の数を決定し、更に、炭素粒子の気流は、直接 次のゾーン、即ち、別の反応が起きる反応器ハウジングのゾーン２へと通過して いく。図中、この反応領域は領域！■として示されこの領域においては、最後に 残ったアセチレン（エチン）が反応してカーボンブラックと水素とを生じる。

ここでの温度は、１２００と１６００℃との間である。この領域において、追加 量の原料、即ちメタンを、メタンで急冷して生成物混合物を冷却するために添加 することができる。このメタンは、それ自体力−ポタブラック及び水素と反応し ながら、生成物を冷却する。

カーボンブラック粒子の数が定まっているという理論に基づき、反応器のこの部 分で製造された炭素材料は、既に存在する粒子に堆積する。

従って、これらはより大きく成長し、より緻密な生成物が生じる結果となる。生 成物に、酸素含有媒体又はゾーン２中の追加のプラズマトーチを用いて、さらに エネルギーを加えることにより、領域［Ｖについて記載した工程を、生成物の所 望の大きさ及び密度が達成されるまで繰り返すことができる。従って、この領域 を、さらに続く領域と共に、おそらくは反応室Ｂ中の新たなセクションにおいて 、繰り返すことができる。追加量のメタン及び酸素含有媒体のための導入管を８ として示すと共に、これはゾーン２へと入る。さらに、このゾーンは追加のプラ ズマトーチ（より詳細には説明しない）の接続の可能性を有する。

これらの領域の外側にある反応器容量の部分は、通常は“冗員（ｄｅａｄｖｏｌ ｕｍｅ）“である。２死量”は、反応器の壁への固体材料の堆積を減少し、従っ て、それは望ましい。領域Ｉ１１と領域ＩＶとの間には、低い軸方向速度が存在 し、これはこの領域での炭素材料の形成を導き得る。この領域において、反応器 内には殆ど床が形成されている。その材料は、機械的強度が低く、機械的手段に より容易に除去され得る。反応器を通しての高い速度も、そのような傾向を妨げ る。反応器の特別なデザインは、生じた液体粒子が、壁に衝突して硬いコーティ ングを形成する前に、それらに脱水素化を起こさせることにより、このタイプの 汚れを抑制するのに役立つ。望ましくない汚れが、再汚れを起こして反応器を停 止することを妨げるために、定期的に反応器の壁をこすり落とす、内部メカニカ ルスクレーバーが備えられている。このメカニカルスクレーパーは、適当な酸素 媒体で反応器の壁を内部洗浄する流路を備えていてもよい。本方法により達成さ れるエネルギー収量をさらに増加するために、メタンを、反応室からの生成物流 からの熱を得る熱交換方法を用いて、加熱してもよく、これにより、メタンは、 導入管ｌに又は導入管８を介してゾーン２に供給されるとき、７００℃近い温度 を有する。

上記では、本発明による方法の一実施例及び本発明による装置の原理的な側面の みを記載した。既に述べたように、本発明の範囲内で、変形及びフィードストッ クの品質及び型の決定に関して様々な可能性が存在する。これは、また、供給さ れるフィードストックにも依存する。これは、炭化水素として一般的に記載され 、現在のところ好ましい炭化水素はメタンである。それとは別のものは、一般に 、例えば、木工及びセルロース産業から得られるおが屑材料、即ち、かんな屑、 他の油脂生成物及び天然ガスでも良い。本発明に関連して、装置の汚れ等のよう な要因によって影響されることなく本方法が実施されることも重要である。これ に関連して、出願人のノルウェー国特許出願第９１４９０８号に記載した方法を 取り入れると便利である。

補正書の翻訳文の提出書く特許法第１８４条の８）平成６年６月３日

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．フィードストックをプラズマトーチに通し、これにより該フィードストック の熱分解を起こさせ、且つ該反応が反応領域で起こる水素及びカーボンブラック の製造のための炭化水素の分解方法において、該フィードストック、好ましくは メタンを、それが導入管を出る時に１０００℃より低い、好ましくは４００℃と ６００℃の間の温度を有するように温度制御した導入管内に、プラズマトーチを 通して移送すること、 該フィードストックに、プラズマ炎の直近領域で、第一のほぼ均一な加熱を施し 、且つ、フィードストックをプラズマトーチの炎に関連して中央に供給すること 、 プラズマ炎のすぐ後ろの領域で、炭化水素材料と、好ましくは水素であり、好ま しくは再循環されるプラズマガスとの混合が起こり、温度が、原料の分解温度で ある１６００℃より高い温度に上昇し、この領域で、遊離の水素と、液滴の形態 の脱水素した炭素材料とが生じ、これにより生じた該材料を、温度が１２００℃ と１６００℃の間に保持され、最終の且つ完全な炭化水素のカーボンブラック及 び水素への分解が行われる１又はそれ以上の次工程へ送り、そして、この領域に 、急冷を引き起こし、そして既に生成したカーボンブラックとの反応を起こす原 料をさらに添加して、これにより、さらにエネルギー供給することなしに粒径、 密度及び量の増加を起こしてもよく、その後、製造された生成物を取り出して分 離し、更に、エネルギー効率をさらに増加するために、前記トーチヘの再循環パ イプに熱いガスを通してもよいこと、及び反応領域内の温度を、反応剤及びプラ ズマガスの供給速度を調整することにより、及び／又はプラズマトーチヘのエネ ルギー供給量を調節することにより、及び／又は反応領域の圧力を調節すること により制御し、これにより生産されるカーボンブラックの品質を所望の品質を達 成するように制御することを可能にすることを特徴とする方法。
2. ２．前記方法の最終工程で、温度を制御するために追加のプラズマトーチを用い ることを特徴とする前記請求項１に記載の水素及びカーボンブラックの製造のた めの炭化水素の分解方法。
3. ３．プラズマトーチ及び反応チャンバを含む、炭化水素の分解のための前記請求 項１に記載の方法の実施に使用するための装置において、該プラズマトーチが、 中央の温度制御されたフィードストック用導入管を備えていること、それが少な くとも三つの電極を含み、且つ反応室の端部に配置されていること、該反応室の 内側が炭素でライニングされており、その側壁部に、追加のフィードストックの ための、そして場合によっては追加のプラズマトーチの設置のための導入口を有 すること、並びに、該反応チャンバのプラズマトーチと反対側の端部に最終生成 物のための出口と、そして、場合によっては通常は水素である生成したガスのた めの、プラズマトーチに至る再循環パイプが設けられていることを特徴とする装 置。
4. ４．フィードストックに存在するもの以外の物質、特に汚染物質が分解生成物の 中に含まれないことを特徴とする前記請求項１に記載の水素及びカーボンブラッ クの製造のための炭化水素の分解方法。