KR20130004270A - 예열된 공급원료를 이용하는 카본 블랙의 제조 방법 및 그를 위한 장치 - Google Patents

예열된 공급원료를 이용하는 카본 블랙의 제조 방법 및 그를 위한 장치 Download PDF

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프레데릭 에이치. 럼프
야코브 이. 쿠츠소브스키
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Abstract

오염을 제어하면서 약 300℃를 초과하는 온도에서 고온의 공급원료를 사용하는 카본 블랙의 제조 방법이 제공된다. 본 방법에 따른 카본 블랙을 제조하기 위한 장치가 또한 제공된다.

Description

예열된 공급원료를 이용하는 카본 블랙의 제조 방법 및 그를 위한 장치 {METHODS FOR CARBON BLACK PRODUCTION USING PREHEATED FEEDSTOCK AND APPARATUS FOR SAME}
본 출원은 35 U.S.C. §119(e) 하에 선행 출원인 2010년 2월 19일에 출원된 미국 가출원 번호 61/306,092를 우선권 주장하며, 이는 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.
본 발명은 오염을 제어하면서 예열된 공급원료를 사용하여 카본 블랙을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 오염을 제어하면서 예열된 공급원료를 사용하여 카본 블랙을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명의 방법으로부터 수득되는 카본 블랙에 관한 것이다.
카본 블랙은 예를 들어 잉크 조성물, 도료 등에 안료로, 고무 조성물 및 플라스틱 조성물의 배합 및 제조에서 충전제 및 보강 안료로, 그리고 기타 다양한 응용에 널리 사용되고 있다. 카본 블랙은 탄화수소 공급원료를 고온의 연소 기체와 반응시켜 미립자 카본 블랙을 함유하는 연소 생성물을 제조함으로써 로-형 반응기에서 일반적으로 제조된다. 카본 블랙 문헌에서, 연소 기체와 탄화수소 공급원료 사이의 이러한 반응을 일반적으로 열분해라고 한다.
카본 블랙을 제조하기 위한 다양한 방법이 일반적으로 알려져 있다. 케스터 (Kester) 등의 미국 특허 번호 3,401,020 또는 폴록(Pollock)의 미국 특허 번호 2,785,964에 나타낸 것과 같은 한 유형의 카본 블랙 로 반응기에서는, 탄화수소 연료와 같은 연료, 및 공기와 같은 산화제를 제1 영역 내에 주입하고 반응시켜 고온의 연소 기체를 형성한다. 기체상, 증기 또는 액체 형태인 탄화수소 공급원료를 상기 제1 영역 내에 또한 주입하면, 거기에서 탄화수소 공급원료의 반응이 시작된다. 그 안에서 반응이 일어나는, 수득되는 연소 기체 혼합물을 그 후 반응 영역 내로 통과시켜, 거기에서 카본 블랙 형성 반응이 완료되게 한다. 또 다른 유형의 카본 블랙 로 반응기에서는, 액체 또는 기체 연료를 공기와 같은 산화제와 제1 영역에서 반응시켜 고온의 연소 기체를 형성한다. 상기 고온 연소 기체는 제1 영역으로부터 통과하고, 하류로 반응기를 통해 반응 영역 내로 및 그 너머로 통과한다. 카본 블랙을 제조하기 위해, 탄화수소 공급원료를 상기 고온 연소 기체 스트림의 경로 내 하나 이상의 지점에서 주입한다. 일반적으로 탄화수소 공급원료는 탄화수소 오일 또는 천연 가스이다. 제1 (또는 연소) 영역 및 반응 영역은 폐색부, 또는 연소 영역 또는 반응 영역보다 작은 단면을 갖는 제한된 직경의 영역에 의해 분할될 수 있다. 상기 공급원료는 상기 제한된 직경 영역의 상류, 하류 및/또는 그 안에서, 고온 연소 기체의 경로 내로 주입될 수 있다. 탄화수소 공급원료는, 연소 기체 스트림 내부로부터 및/또는 연소 기체 스트림의 외부로부터, 분무된 및/또는 분무되지 않은 형태로 도입될 수 있다. 이러한 유형의 카본 블랙 로 반응기는 예를 들어 모건 (Morgan) 등의 미국 재발행 특허 번호 28,974 및 조르단 (Jordan) 등의 미국 특허 번호 3,922,335에서 볼 수 있다.
일반적으로 알려진 반응기 및 방법에서, 고온 연소 기체는 연소 기체 스트림 내로 주입된 탄화수소 공급원료의 반응을 수행하기 충분한 온도이다. 위에 나타낸 케스터 등의 미국 특허 번호 3,401,020과 같은 하나의 유형의 반응기에서, 공급 원료는, 연소 기체가 형성되는 같은 영역 내로 하나 이상의 지점에서 주입된다. 다른 유형의 반응기 또는 공정에서, 공급원료의 주입은, 연소 기체 스트림이 형성된 후, 하나 이상의 지점에서 수행된다. 반응이 일어나는, 공급원료와 연소 기체의 혼합물을 이후 본 출원에 걸쳐 종종 "반응 스트림"이라 한다. 반응기의 반응 영역 중 반응 스트림의 체류 시간은 원하는 카본 블랙의 형성을 가능하게 하기 충분하다. 어느 유형의 반응기에서건, 고온의 연소 기체 스트림이 반응기를 통해 하류로 유동하므로, 공급원료와 연소 기체의 혼합물이 반응 영역을 통과할 때 반응이 일어난다. 원하는 성질을 갖는 카본 블랙이 형성된 후, 반응이 중지되도록 반응 스트림의 온도를 낮추고, 카본 블랙 생성물을 회수할 수 있다.
조르단 등의 미국 특허 번호 3,922,335; 캐스퍼슨(Casperson)의 미국 특허 번호 4,826,669; 모건의 미국 특허 번호 6,348,181; 및 그린의 미국 특허 번호 6,926,877과 같은 기타 특허들도 공급원료 온도를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법을 나타낸다. 반응기로 진입하는 지점에서 전형적인 공급원료 온도는 미국 특허 번호 4,826,669에 나타난 바와 같이, 예를 들어 250˚F 내지 500˚F(121℃ 내지 260℃)의 범위일 수 있다.
본 발명자들은 카본 블랙 제조에서 반응기로 진입하는 지점에서 또는 그에 앞서 약 300℃에 접근하거나 그를 초과하는 탄화수소 공급원료 온도가 공급원료 공급 라인 및 장비의 파괴적인 수준의 열 유도된 오염의 심각한 우려를 초래할 수 있음을 인식하였다. 또한 본 발명자들은 카본 블랙 제조를 위한 본 발명의 방법 및 장치가 개발되기까지, 그와 같이 고온의 공급원료를 견딜 수 있는 카본 블랙의 제조를 위한 방법 및 시스템은 종전에 개발된 적이 없고, 고온의 공급원료 작업을 사용함으로 인한 가능한 유익이 충분히 실현되거나 수득가능하지 않았다고 생각한다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 특징은 상승된 공급원료 온도에서 공급원료 라인의 열 유도된 오염을 제어하면서 카본 블랙 제조에서 상승된 공급원료 예열 온도를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명에 일부 기재할 것이고, 일부는 상세한 설명으로부터 분명하거나, 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있을 것이다. 본 발명의 목적과 다른 장점은 상세한 설명 및 첨부된 청구항에 특별히 지적된 요소 및 조합들에 의해 실현 및 수득될 것이다.
상기 및 기타 장점을 얻기 위해, 그리고 본원에 구현되고 광범하게 기재된 본 발명의 목적에 따라, 본 발명은 부분적으로, 약 300℃를 초과하는 온도로 카본 블랙-생성 공급원료를 예열하여 그 온도 범위에서 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 것을 포함하는 카본 블랙의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 공급 원료는 적어도 450℃, 또는 약 360℃ 내지 약 850℃의 온도, 또는 300℃를 초과하는 다른 온도로 가열될 수 있다. 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 하나 이상의 공급원료 공급 라인에서, 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점으로 공급될 수 있다. 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 도입되어 가열된 기체 스트림(들)과 조합되어, 반응 스트림을 형성하게 되며, 여기에서 카본 블랙이 반응기 내에서 형성된다. 반응 스트림 중 카본 블랙은 회수를 위해 냉각될 수 있다. 본 방법은 상승된 공급원료 온도에서 공급원료 공급 라인의 열 유도된 오염의 우려를 완화하기 위한 하나 이상의 접근법을 포함한다. 이러한 접근법은, 예열된 공급원료를 반응기로 운반하는 동안, 작동가능한 상태 하에, 공급원료 공급 라인을 유지하도록 공급원료 공급 라인(들)의 내벽에서, 오염물의 형성을 최소화하거나 (예, 코크의 축적을 감소), 오염물의 표면 침착물을 제거하거나 (예, 코크 제거를 증가), 둘 모두의 조합일 수 있다. 상기 오염 제어 접근법은 다음 중 하나 이상 (또는 임의의 조합)을 포함할 수 있다:
- 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하여 예열을 수득하는 하나 이상의 히터를 통해 적어도 약 0.2 m/sec (또는 예를 들어, 적어도 약 1 m/sec, 또는 적어도 약 1.1 m/sec, 또는 적어도 약 1.6 m/sec, 또는 적어도 약 2 m/sec, 또는 약 0.2 m/sec를 초과하는 다른 속도)의 속도로 카본 블랙-생성 공급원료를 공급함,
- 카본 블랙-생성 공급원료를, 카본 블랙-생성 공급원료를 예열하기 위한 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 10 bar를 초과하는 압력 (또는, 예를 들어, 약 20 bar 초과, 또는 약 30 bar 초과, 또는 약 40 bar 초과, 또는 약 20 내지 약 180 bar, 또는 약 30 내지 약 180 bar, 또는 약 10 bar를 초과하는 다른 압력)으로 가압함,
- 예열을 위한 하나 이상의 히터에서 카본 블랙-생성 공급원료, 및 반응기로 도입되기 전 공급원료 공급 라인에서 예열된 카본 블랙-생성 공급원료의, 약 120분 미만의 총 공급원료 체류 시간 (또는 예를 들어, 약 1초 내지 약 120분, 또는 약 1 내지 약 60분, 또는 약 120분 미만의 다른 체류 시간)을 제공함,
- 약 10 kW/m2를 초과하는 (내부 관 표면의) 평균 열 유량 (또는, 예를 들어, 약 20 kW/m2를 초과하는, 또는 약 20 내지 약 200 kW/m2, 또는 약 10 kW/m2을 초과하는 다른 평균 열 유량)에서 작동하는 하나 이상의 히터에서 공급원료를 예열함,
- 공급원료 공급 라인의 공급원료-접촉 내벽 위에서 탄화수소의 열 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성 표면을 제공함,
- 공급원료 공급 라인을 통해, 탄소용 산화제를 포함하는 1종 이상의 퍼지 기체 (예, 수증기, 공기, 산소, CO2)를 주기적으로 공급함, 또는 이들의 임의의 조합.
본 발명에 의해 제공되는 오염 제어는, 공급원료 예열의 적어도 일부가 높은 반응 온도에서 반응기에 의해 발생된 열로 공급원료를 가열함으로써 이루어지는 것을 가능하게 할 수 있다. 본 발명에 의해 실현가능하게 되는 공급원료 예열 조건 및 디자인은 예를 들어, 향상된 에너지 회수율, 원료 비용의 절약, 카본 블랙 양의 증가, 이산화탄소 배출의 감소, SOx 및/또는 NOx 배출의 감소, 높은 공급원료 온도 조건에서 공업적으로 유용한 시간 동안 안정하거나 연속적인 카본 블랙의 생산, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 장점 및 유익을 제공할 수 있다. 본 발명의 방법은 여기에 언급된 하나 이상의 환경적 장점으로 인하여 종래의 방법에 비해 "더 환경친화적인" 방법으로 간주될 수 있다.
본 발명은 또한, 전술한 것과 같은 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 장치는 가열된 기체 스트림 및 하나 이상의 고온 카본 블랙-생성 공급원료를 조합하여 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하기 위한 하나 이상의 반응기를 포함한다. 또한 상기 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하여 그 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하기 위한 하나 이상의 오염-제어된 공급원료 공급 라인, 및 상기 하나 이상의 공급원료 공급 라인에서 공급된 카본 블랙-생성 공급원료를 약 300℃를 초과하는 온도로 예열하도록 작동가능한 하나 이상의 공급원료 히터를 포함한다. 상기 장치는 a) 공급원료가 약 300℃를 초과하는 온도로 예열되기 전에 약 10 bar를 초과하는 압력으로 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하도록 작동가능하거나, b) 카본 블랙-생성 공급원료를 예열하는 하나 이상의 공급원료 히터를 통해 적어도 약 0.2 m/sec의 공급원료 속도를 제공하기 위한, 또는 c) 그 둘 모두에 해당하는, 하나 이상의 펌프를 또한 포함한다. 반응 스트림에서 카본 블랙을 냉각시키기 위한 냉각기(quencher)가 포함될 수 있다. 상기 반응기는 약 300℃를 초과하는 온도로 예열된 공급원료를 반응기에 도입하기 전에 상기 하나 이상의 공급원료 히터 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인에서 약 120분 미만의 공급원료 체류 시간을 제공하도록 작동가능하다. 공급원료 예열의 적어도 일부는 예를 들어 상기 공급원료를 반응기에 의해 발생된 또는 반응기 내에서의 발열된 열로 직접 또는 간접적으로 공급원료를 가열함으로써 장치 위에서 수행될 수 있다. 상기 장치는 예를 들어 반응 스트림에서 반응기 내에 배열된, 반응기의 가열된 벽과 접촉하게 배열된, 반응기 테일가스(tail gas)와 접촉하게 배열된, 반응기 내부에 위치한 열 교환기로부터 수용된 가열된 유체와 열을 교환하도록 반응기의 외부에 배열된, 또는 이들 배열의 임의 조합인, 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 사용하는 공급원료 히터를 가질 수 있다. 상기 공급원료 히터는 테일 가스 (동일 및/또는 상이한 카본 블랙 반응기로부터의 것) 또는 임의의 탄화수소-기재 연료를 이용하여 발화되는 하나 이상의 히터이고/거나 전기 히터일 수 있다.
본원의 목적을 위해, "공급 라인" 또는 "하나 이상의 공급원료 공급 라인"은 그를 통해 공급원료가 예열된 온도로 반응기까지 운반되는 임의의 도관, 파이프, 열 교환기 관, 열 교환기 채널, 또는 액체 또는 증기 공급원료의 운반에 적합한 기타 구조, 또는 이들의 조합일 수 있다. "공급 라인"은 임의의 직경 및/또는 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 공급 원료가 열 교환기의 관 또는 코일을 통과하는 동안 300℃의 온도로 예열된 다음 별도의 관을 통해 상기 열 교환기로부터 반응기로 공급될 경우, "하나 이상의 공급 라인"은, 공급원료 온도가 300℃에 도달한 열 교환기 내부의 관을 따르는 위치와 열교환기 관의 배출 말단의 사이에서, 그리고 또한 그를 통해 예열된 공급원료가 이동하여 반응기에 도달하는, 열 교환기 이후의 관으로 뻗어 있는, 열 교환기 관의 일부를 포함할 것이다.
공급원료와 관련된 코킹(coking)에 관한 "제어"는 방지 단계(들) 없이 나타나는 코킹 수준의 감소 (또는 방지 또는 저속화)를 적어도 의미한다.
전술한 일반적 설명 및 이하의 구체적인 설명은 모두 단지 예시하고 설명하는 것이며, 청구된 본 발명의 추가 설명을 제공하고자 하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 측면을 설명하며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에 사용된 유사한 숫자 부호는 유사한 특성을 나타낸다.
도 1은 카본 블랙을 제조하기 위한 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 한 유형의 카본 블랙 로 반응기의 일부의 개략도이다. 본 카본 블랙 반응기는 본 발명에 사용될 수 있는 반응기를 단지 예시하는 것이다.
도 2는 카본 블랙을 제조하기 위한 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 또 다른 유형의 카본 블랙 로 반응기의 일부의 개략도이다. 본 카본 블랙 반응기는 본 발명에 사용될 수 있는 반응기를 단지 예시하는 것이다.
도 3은 카본 블랙을 제조하기 위한 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 또 다른 유형의 카본 블랙 로 반응기의 일부의 개략도이다. 본 카본 블랙 반응기는 본 발명에 사용될 수 있는 반응기를 단지 예시하는 것이다.
도 4는 카본 블랙을 제조하기 위한 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 추가 유형의 카본 블랙 로 반응기의 일부의 개략도이다. 본 카본 블랙 반응기는 본 발명에 사용될 수 있는 반응기를 단지 예시하는 것이다.
도 5는 카본 블랙을 제조하기 위한 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 공정 체계의 개략도이다. 본 카본 블랙 반응기 체계가 실시예에 사용되지만, 이는 본 발명에 사용될 수 있는 반응기를 단지 예시하는 것이다.
도 6은 실시예에 기재된 모델링에서 원료 절감 계산에 사용되는 공급원료 온도(℃)에 대한 공급원료 열 용량 (kJoules/kg·℃)의 그래프이다.
본 발명은 공급원료 오염 문제에 의해 방해되지 않는 카본 블랙의 제조에서 약 300℃를 초과하는 상승된 공급원료 예열 온도를 사용하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 공업 규모의 카본 블랙 제조, 또는 다른 규모의 제조에 응용가능하다.
본 발명은 부분적으로, 카본 블랙을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 방법은 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 또한, 수득될 예열 온도보다 낮은, 예컨대 300℃ 미만 또는 275℃ 미만 (예, 40℃ 내지 274℃, 50℃ 내지 270℃, 70℃ 내지 250℃, 60℃ 내지 200℃, 70℃ 내지 150℃ 등)의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 하나 이상의 히터 (예, 적어도 2개의 히터, 적어도 3개의 히터 등, 여기에서 히터는 서로 동일 또는 상이할 수 있음)에 공급하는 것을 포함한다. 하나 이상의 히터에 진입하는 공급원료의 온도는 목표한 예열 온도 또는 온도 범위 아래이다. 예열되기 전 공급원료는, 하나의 선택사항으로, 적어도 약 0.2 m/sec (예, 적어도 약 0.4 m/sec, 적어도 약 0.6 m/sec, 적어도 약 0.8 m/sec, 적어도 약 1 m/sec, 적어도 약 1.1 m/sec, 적어도 약 1.6 m/sec, 예컨대 0.2 m/sec 내지 4 m/sec, 1.1 내지 3 m/sec 등)의 제1 속도로 이동할 수 있다. 히터(들) 및 반응기에 대한 공급 라인에서 오염 및/또는 코킹을 제어하기 위해 다른 공정 조건이 선택될 경우, 다른 속도가 사용될 수 있다.
상기 방법은 하나 이상의 히터에서 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 300℃를 초과하는 제2 온도 (예, 적어도 350℃, 적어도 360℃, 적어도 400℃, 적어도 450℃, 적어도 500℃, 예컨대 300℃ 내지 850℃, 또는 360℃ 내지 800℃, 400℃ 내지 750℃, 450℃ 내지 700℃ 등)로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 것을 포함하며, 여기에서 (a) 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec인 속도를 가지고, 여기에서 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도를 기준으로 하고, 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 하여 계산된다. 그와 같은 높은 온도에서 공급원료의 속도를 측정하는 것은 매우 어려울 수 있으므로, 본 발명의 목적을 위해, 본원에 언급된 속도는 이들 특정 측정 조건을 기준으로 한다. 실제 히터에서 최소 직경 또는 최소 단면적이 어떠하든, 이 최소 단면적이 본 발명의 목적을 위해 여기에서 언급되는 속도를 결정하도록 사용된다. 다수의 히터가 히터 전체에 걸쳐 같은 직경을 갖지만, 히터(들) 내에 여러 가지 직경 또는 단면적이 존재하는 경우에도 상기 조건이 주어진다. 속도는 최소 단면적을 기준으로 한다. 공급원료 히터를 통한 실제 속도는 일반적으로 60℃, 1 atm에서 측정된 속도보다 더 빠를 수 있다.
상기 방법에서, 카본 블랙-생성 공급원료는 히터 내에서 약 120분 미만 (예, 100분 미만, 80분 미만, 60분 미만, 40분 미만, 30분 미만, 20분 미만, 10분 미만, 예컨대 1초 내지 119분, 5초 내지 115분, 10초 내지 110분, 30초 내지 100분, 1분 내지 60분, 5분 내지 30분 등)의 제1 공급원료 체류 시간을 가질 수 있다. 예를 들어, 도면을 참조하면, 제1 공급원료 체류 시간은 예를 들어, 공급원료가 도 1의 히터 (19) 또는 도 2의 히터 (22) 내에서 보내는 시간일 것이다.
상기 방법은 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입지점 (예, 적어도 1 또는 2 또는 3 또는 4개의 공급원료 도입 지점)에 공급하는 것을 포함할 수 있고, 여기에서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 약 120분 미만 (예, 100분 미만, 80분 미만, 60분 미만, 40분 미만, 30분 미만, 20분 미만, 10분 미만, 예컨대 1초 내지 119분, 5초 내지 115분, 10초 내지 110분, 30초 내지 100분, 1분 내지 60분, 5분 내지 30분 등)의, 히터(들)를 빠져나오면서부터 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점의 직전까지 측정되는 제2 공급원료 체류 시간을 갖는다. 제1 공급원료 체류 시간 및 제2 공급원료 체류 시간을 합한 것은 바람직하게는 120분 이하 (예, 100분 미만, 80분 미만, 60분 미만, 40분 미만, 30분 미만, 20분 미만, 10분 미만, 예컨대 1초 내지 119분, 5초 내지 115분, 10초 내지 110분, 30초 내지 100분, 1분 내지 60분, 5분 내지 30분 등)이다. 예를 들어, 도면을 참고하면, 상기 제2 공급원료 체류 시간은 예를 들어, 공급 원료가 도 1의 히터 (19) 또는 도 2의 히터 (22)를 빠져나와, 도 1 및 도 2에서 도입 지점 (16)으로 나타낸, 반응기에 대한 도입 지점에 이르는 시간일 것이다. 제1 공급원료 체류 시간과 제2 공급원료 체류 시간의 합을 총 공급원료 체류 시간으로 한다.
상기 방법은 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점(들)을 통하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 합하여, 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 방법은 반응 스트림에서 카본 블랙을 냉각시키는 것을 포함할 수 있다. 카본 블랙 제조에서 통상적인 다른 후-냉각 단계가 본 발명의 방법에 사용될 수 있다.
하나의 선택사항으로, 히터에 대한 공급원료 라인이 히터 전체에 걸친 공급 라인과 대략 같은 단면을 가질 경우, 상기 카본 블랙-생성 공급원료는 히터(들)에 대한 입구에서의 제1 속도보다 크거나 같은 (예, 적어도 1% 더 큰, 적어도 2% 더 큰, 적어도 3% 더 큰, 적어도 5% 더 큰, 적어도 7% 더 큰, 적어도 10% 더 큰, 적어도 100% 더 큰, 적어도 200% 더 큰, 예컨대 1% 내지 200% 더 큰 또는 20% 내지 100% 더 큰 등) 히터(들) 내 속도를 가질 수 있다.
본 발명의 방법은 카본 블랙-생성 공급원료(들)를 가압하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 카본 블랙 생성 공급원료의 예열이 하나 이상의 히터에서 또는 카본 블랙 반응기에 공급되기 전에 증기 막을 형성하는 것을 방지하도록, 카본 블랙 생성 공급원료(들)를 가압하거나 압력을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 본 발명의 방법은, 카본 블랙-생성 공급원료를 예열하는 하나 이상의 히터에 들어가기 앞서 예를 들어 약 10 bar를 초과하는 압력을 갖도록, 카본 블랙-생성 공급원료(들)를 가압하는 것을 포함할 수 있다. 상기 압력은 적어도 15 bar, 적어도 20 bar, 적어도 30 bar, 적어도 40 bar, 예컨대 10 bar 내지 180 bar 이상, 15 bar 내지 150 bar, 20 bar 내지 125 bar, 25 bar 내지 100 bar일 수 있다.
본 발명에서, 카본 블랙의 제조 방법은 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한, 목표한 예열 공급원료 온도 미만, 예컨대, 300℃ 미만 또는 275℃ 미만 (예, 40℃ 내지 274℃, 50℃ 내지 270℃, 70℃ 내지 250℃, 60℃ 내지 200℃, 70℃ 내지 150℃ 등)의 제1 온도를 갖는 카본 블랙-생성 공급원료를 10 bar를 초과하는 제1 압력에서 히터(들)에 공급하는 것을 포함한다. 상기 압력은 적어도 15 bar, 적어도 20 bar, 적어도 30 bar, 적어도 40 bar, 예컨대 10 bar 내지 180 bar 이상, 15 bar 내지 150 bar, 20 bar 내지 125 bar, 25 bar 내지 100 bar일 수 있다.
상기 방법은 히터(들) (예, 적어도 2개의 히터, 적어도 3개의 히터 등, 여기에서 히터는 서로 동일 또는 상이할 수 있음) 내에서 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 300℃를 초과하는 (예, 적어도 350℃, 적어도 360℃, 적어도 400℃, 적어도 450℃, 적어도 500℃, 예컨대 300℃ 내지 850℃, 또는 360℃ 내지 800℃, 400℃ 내지 750℃, 450℃ 내지 700℃ 등) 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 것을 포함하며, 여기에서 (a) 상기 카본 블랙-생성 공급원료는 하나 이상의 히터에서 제1 압력보다 낮거나 같은 (예, 적어도 1% 더 낮은, 적어도 2% 더 낮은, 적어도 3% 더 낮은, 적어도 5% 더 낮은, 적어도 7% 더 낮은, 적어도 10% 더 낮은, 적어도 15% 더 낮은, 적어도 20% 더 낮은, 예컨대 1% 내지 75% 더 낮은 또는 3% 내지 20% 더 낮은 등) 제2 압력을 가지고, (b) 상기 카본 블랙-생성 공급원료는 약 120분 미만 (예, 100분 미만, 80분 미만, 60분 미만, 40분 미만, 30분 미만, 20분 미만, 10분 미만, 예컨대 1초 내지 119분, 5초 내지 115분, 10초 내지 110분, 30초 내지 100분, 1분 내지 60분, 5분 내지 30분 등)의 히터 내 제1 공급원료 체류 시간을 갖는다.
상기 방법은 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함할 수 있으며, 여기에서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 약 120분 미만 (예, 100분 미만, 80분 미만, 60분 미만, 40분 미만, 30분 미만, 20분 미만, 10분 미만, 예컨대 1초 내지 119분, 5초 내지 115분, 10초 내지 110분, 30초 내지 100분, 1분 내지 60분, 5분 내지 30분 등)의, 하나 이상의 히터를 빠져나와 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점까지의 제2 공급원료 체류 시간을 가지고; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 제2 공급원료 체류 시간을 합한 것은 바람직하게는 120분 이하 (예, 100분 미만, 80분 미만, 60분 미만, 40분 미만, 30분 미만, 20분 미만, 10분 미만, 예컨대 1초 내지 119분, 5초 내지 115분, 10초 내지 110분, 30초 내지 100분, 1분 내지 60분, 5분 내지 30분 등)이다.
상기 방법은 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를, 카본 블랙 반응기에 대한 상기 도입 지점(들)을 통하여 가열된 기체 스트림과 조합하여, 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 반응 스트림에서 카본 블랙을 냉각시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명은 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 것을 포함하는 카본 블랙의 제조 방법에 관한 것일 수 있다. 상기 방법은 또한 목표한 예열 공급원료 온도 미만, 예컨대, 300℃ 미만 또는 275℃ 미만 (예, 40℃ 내지 274℃, 50℃ 내지 270℃, 70℃ 내지 250℃, 60℃ 내지 200℃, 70℃ 내지 150℃ 등)의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 10 bar를 초과하는 제1 압력에서 하나 이상의 히터(들)에 공급하는 것을 포함한다. 하나의 선택사항으로, 히터로 들어가는 속도는 적어도 약 0.2 m/sec (예, 적어도 약 0.4 m/sec, 적어도 약 0.6 m/sec, 적어도 약 0.8 m/sec, 적어도 약 1 m/sec, 적어도 약 1.1 m/sec, 적어도 약 1.6 m/sec, 예컨대 0.2 m/sec 내지 2 m/sec, 0.4 내지 1.8 m/sec 등)의 제1 속도일 수 있다.
상기 방법은 히터(들) 내에서 카본 블랙-생성 공급원료를 약 300℃를 초과하는 (예, 적어도 350℃, 적어도 360℃, 적어도 400℃, 적어도 450℃, 적어도 500℃, 예컨대 300℃ 내지 850℃, 또는 360℃ 내지 800℃, 400℃ 내지 750℃, 450℃ 내지 700℃ 등) 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 것을 포함하며, 여기에서 (a) 상기 카본 블랙-생성 공급원료는 적어도 0.2 m/sec인 히터(들) 내 속도를 가지고, 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정되는 공급원료 밀도 및 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되며, (b) 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 제1 압력보다 낮거나 같은 (예, 적어도 1% 더 낮은, 적어도 2% 더 낮은, 적어도 3% 더 낮은, 적어도 5% 더 낮은, 적어도 7% 더 낮은, 적어도 10% 더 낮은, 적어도 15% 더 낮은, 적어도 20% 더 낮은, 예컨대 1% 내지 25% 더 낮은 또는 3% 내지 20% 더 낮은 등) 히터(들) 내 제2 압력을 가지고, 상기 압력은 제1 압력 및 제2 압력 도중 공급원료가 같은 단면적을 이동한다는 가정을 기초로 (그러나, 실제 작업에서, 상기 단면적은 동일 또는 상이할 수 있음) 계산될 수 있다. 이러한 방식의 결정은, 의무적인 것은 아니지만, 압력을 적절히 비교하기 위해 사용될 수 있다.
상기 방법은 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하고, 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점(들)을 통하여 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 이 방법은 반응 스트림에서 카본 블랙을 냉각시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에서, 또는 임의의 방법의 경우, 언급된 목표 예열 온도는 바람직하게는 상기 카본 블랙 반응기 내로 도입되기 이전 공급원료의 평균 온도이다. 공급원료의 언급된 예열 온도는 카본 블랙 반응기 내로 도입되기 전 공급원료의 최고 온도 또는 공급원료의 최저 온도일 수 있다.
본 발명에서, 또는 임의의 방법의 경우, 언급된 목표 압력은 바람직하게는 공급원료의 평균 압력이다. 공급원료의 언급된 압력은 공급원료의 최고 압력 또는 공급원료의 최저 압력일 수 있다.
본 발명에서, 또는 임의의 방법의 경우, 언급된 목표 속도는 바람직하게는 공급원료의 평균 속도이다. 공급원료의 언급된 속도는 공급원료의 최고 속도 또는 공급원료의 최저 속도일 수 있다.
본 발명에서, 또는 임의의 방법의 경우, 카본 블랙-생성 공급원료는 데칸트 오일 (decant oil), 석탄 타르 제품, 에틸렌 크래커 잔류물, 아스팔텐 함유 오일, 또는 약 0.9 내지 약 1.5 또는 그 초과 (예컨대, 0.9 내지 1.3, 또는 1 내지 1.2 등)의 비중을 갖는 임의의 액체 탄화수소 또는 이들의 임의 조합이거나 그를 포함할 수 있다. 카본 블랙-생성 공급원료는 약 160℃ 내지 약 600℃, 예컨대 160℃ 내지 약 500℃ 또는 200℃ 내지 약 450℃ 또는 215℃ 내지 약 400℃ 등의 초기 비점을 가질 수 있다.
예열은 임의의 수의 방법으로 수행될 수 있으며 이를 수행하기 위한 방식에 제한은 두지 않는다. 예열은 하나 이상의 히터 (예, 1, 2, 3개 또는 그 초과)에서 수행될 수 있다. 하나 이상의 히터를 위한 열원은 임의의 열원, 예컨대 하나 이상의 카본 블랙 반응기, 전기 열, 플라즈마 열, 테일가스로부터의 열, 테일가스의 연소로부터의 열, 연료, 및/또는 다른 산업 공정으로부터의 열 및/또는 다른 형태의 열, 및/또는 이들의 임의 조합일 수 있다. 예열은 하나 이상의 히터가 반응기 내로 도입하기 위한 목표 예열 온도까지 공급원료를 부분적으로 또는 완전히 가열하는 경우에 일어날 수 있다. 하나의 히터가 부분적 또는 완전한 예열을 수행하거나, 2개 이상의 히터가 차례로 또는 다른 배열로 (완전하거나 부분적인) 예열을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 부분적 예열이 하나 이상의 히터에 의해 수행되는 경우, 남은 예열은 추가의 또는 2차적 열원 또는 추가의 히터에 의해 수행되어 궁극적으로 목표한 예열 온도를 수득한다.
예를 들어, 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료의 예열은, 열 교환기를 갖는 하나 이상의 히터에서 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것을 포함하거나, 그에 의해 수행될 수 있다. 상기 열 교환기는 약 10 kW/m2를 초과하는 (예컨대, 약 10 kW/m2를 초과하거나 약 20 kW/m2를 초과하거나 약 30 kW/m2를 초과하거나 약 40 kW/m2를 초과하는, 예컨대 약 10 kW/m2 내지 약 150 kW/m2 등) 평균 열 유량으로 작동할 수 있다.
하나의 선택사항으로, 예열의 적어도 일부 (또는 완전한 예열)는, 예열된 공급원료를 수용하는 카본 블랙 반응기 또는 또 다른 카본 블랙 반응기(들) 또는 이들 둘 다에 의해 발생된 열에 의해 적어도 부분적으로 (또는 완전히) 제공된 열을 갖는 하나 이상의 히터에서 수행된다. 하나 이상의 히터는 상기 예열된 공급원료를 수용하는 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기(들) 또는 그 둘 모두의 적어도 일부와 열 교환할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 히터는 예를 들어, 냉각기의 하류에 있는 카본 블랙 반응기에서 반응 스트림과 접촉할 수 있고, 여기에서 상기 하나 이상의 히터는 그의 제1 면 (예, 외벽) 위에서 상기 반응 스트림에 의해 가열되고 그 반대 면(예, 내벽) 위에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료와 접촉하는 벽을 갖는 열 교환기를 가질 수 있다. 하나의 선택사항으로, 상기 하나 이상의 히터는 카본 블랙 반응기에서 반응 스트림과 열 교환하는 열 교환기를 포함할 수 있으며, 여기에서 열 교환기를 통해 유동하는 유동성 열 담체가 가열되고, 상기 열 담체가 반응기의 외부에 위치한 하나 이상의 히터를 통과하여, 열 담체로부터 카본 블랙-생성 공급원료에 열을 전달하도록 작동가능하다. 하나 이상의 히터는 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기(들) 또는 그 둘 모두로부터의 카본 블랙 테일 가스 (예, 테일 가스로부터의 열 또는 테일 가스를 태움으로써 발생된 열)로 적어도 부분적으로 (또는 전적으로) 열 공급될 수 있다. 예열은 하나 이상의 플라즈마 히터 또는 다른 히터 또는 열원을 이용하여 부분적으로 또는 전적으로 수행될 수 있다.
가열된 기체 스트림을 반응기 내로 도입하는 것은 플라즈마 히터 내에서 플라즈마-가열가능한 기체 스트림을 플라즈마 가열하여 적어도 일부의 가열된 기체 스트림을 제공하는 것을 포함한다.
상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 수용하기 위해 카본 블랙 플라즈마 반응기가 사용될 수 있다. 예열된 공급원료, 및 임의로, 예열된 담체 기체 (예컨대, 반응성을 조절하기 위해 임의로 O2를 갖는 N2)를 사용함으로써, 반응기 내 가열 방법은 비-연소형일 수 있고, 카본 블랙 형성을 위해 필요한 공정 온도까지 반응물의 간접 예열 및 플라즈마 가열의 사용을 조합할 수 있다. 담체 기체는 종래의 공기 히터 기술 및/또는 본원에 기재된 히터 설정 중 하나를 이용하여 예열되어 공급원료를 예열할 수 있다. 유사한 설정이 선택사항으로 담체 기체에 대해 사용될 수 있다. 본 방법은 플라즈마 가열만을 사용하는 것에 비하여 전기 소모를 감소시키고, 원료 비용을 절감하고, CO2 배출을 감소시키고/거나 물의 소비를 감소시킬 수 있다.
본 발명에서, 하나 이상의 히터의 카본 블랙-생성 공급원료 접촉 벽 및/또는 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기(들)에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 내벽 중 일부 또는 전부에 비-촉매성 표면이 사용될 수 있다. 상기 표면은 탄화수소의 크래킹 (예, 열 크래킹) 또는 중합에 대하여 비-촉매성일 수 있다.
본 발명에서, 상기 공급은 카본 블랙 반응기(들)에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하거나 그러한 공급일 수 있고, 상기 방법은 임의로, 하나 이상의 카본 블랙-생성 공급원료 공급 라인(들)을 통해 탄소용 산화제일 수 있는 퍼지 기체(들)를 주기적으로 공급하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 공급원료를 예열하는 하나 이상의 히터를 빠져나오는 공급원료 공급 라인은 공급원료를 하나 이상의 히터 내에 공급하는 공급 라인과 동일 또는 상이한 단면적 (예, 직경)을 가질 수 있다 (예를 들어, 더 작거나 더 큰 단면적을 가질 수 있다).
본 발명에서, 상기 공급은 카본 블랙 반응기(들)에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함할 수 있고, 상기 방법은 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를, 카본 블랙-생성 공급원료의 적어도 부분적인 (또는 완전한) 플래싱(flashing) (예, 공급원료 증발, 예를 들어 압력을 강하시킴으로써 수득되는)과 함께 카본 블랙 반응기 내로 주입하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 본원에 기재된 하나 이상의 세정 또는 오염제거 방지 단계를 사용함으로써, 카본 블랙 반응기 중 예열된 카본 블랙-생성 공급원료 및 가열된 기체 스트림이, 적어도 약 12시간 동안 (예, 적어도 24시간 동안, 적어도 48시간 동안, 적어도 72시간 동안, 적어도 1주, 2주, 1개월 또는 그 초과) 반응기에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하도록 조합될 수 있다.
본 발명자들은 카본 블랙 제조에 있어서 약 300℃를 초과하는 온도로 가열된 탄화수소 공급원료가 공급원료를 예열하는 공급원료 공급 라인 및/또는 히터(들)의 유기물 오염 (예, 코킹 및/또는 중합)의 심각한 위험에 있음을 인식하였다. 공급원료 공급 라인은 그 내부 표면 위에 유기물이 오염되기 쉬운 스틸제 관 또는 다른 금속 구조일 수 있다. 점검되지 않은 채 방치될 경우, 오염은 공급원료 공급 라인에서 상당히 감소된 유동 능력, 결국은 관 및/또는 반응기 주입기의 막힘을 초래할 수 있다.
오염은 본 발명의 개발 시에 카본 블랙 제조에서 고온의 공급원료를 사용함에 있어서의 주된 기술적 장벽으로 정의되었다. 임의의 특정 이론에 구애되기를 원하지 않지만, 유기물 오염은 적어도 2가지 오염 메카니즘으로 인하여 높은 공급원료 온도에서 카본 블랙 공급원료 중에 초래될 수 있다. 막 비등 오염에서, 공급원료가 증발되어 열 전이 (즉, 임계 열 유량)를 차단할 수 있는 증기 막을 형성하고, 여기에서 증기 막은 과열되어 증기 상 열분해 반응에서 코크 형성의 원인이 되는 것으로 생각된다. 아스팔텐은 원유에서 통상적으로 나타나는 구성분이며, 다양한 농도로 다양한 카본 블랙 공급원료 내에 적어도 부분적으로 실려, 고온 (예, >300℃) 사용 시 오염의 우려를 일으킨다. 아스팔텐-유도된 코킹에서, 공급원료 중 아스팔텐이 액체 상 열분해되며, 여기에서 아스팔텐은, 열 크래킹 온도에 노출되면 열에 의해 라디칼 형태로 탈안정화되고 조합되어, 고분자량의 불용성 코크를 형성하게 되는 것으로 생각된다. 예를 들어 높은 공급원료 온도는 공급원료에서 장쇄 분자의 크래킹을 초래하여, 매우 반응성인 화합물을 형성하는데, 이것이 중합되고 오염될 수 있다. 점검되지 않고 남으면, 더 높은 공급원료 온도는 공급원료 중 아스팔텐이 뭉쳐서 공급원료 히터 및 공급 라인 표면 위에서 침전을 일으키는 경향이 있을 수 있다. 다른 유기 오염 메카니즘이 고온의 공급원료 작업에 의해, 예컨대 공급원료 공급 라인 재료에 따라, 철 또는 니켈 촉매된 탄화수소의 열 크래킹 반응에 의해 초래될 수 있는 촉매성 코킹에 의해 촉진될 수 있다. 공급원료 중 공액 올레핀의 중합 (예를 들어, 내부 관의 표면 위 철, 니켈 등과 같은 금속에 의해 촉진된) 또한 공급원료의 화학에 따라, 코킹의 잠재적 원인이 되는 것으로 생각된다. 전술한 것과 같은 불용성 코크 또는 기타 유기 오염물은, 카본 블랙 제조 체계에서 출현이 허용되는 경우, 공급원료로부터 공급원료 공급 라인 및 반응기 주입기의 내벽 위에 침착되고 플러그 라인에 축적됨으로써 유지 및/또는 보수를 위해 카본 블랙 제조를 방해한다. 본 발명은, 항-오염 접근법을 고온 공급원료 작업과 조합하여, 그렇지 않으면 안정하게 유지되는 카본 블랙 제조를 방해할, 공급원료 라인의 그러한 열-유도된 오염의 위험성을 완화한다.
본 발명에 의해 결정되는 바와 같이, 히터 입구에서의 압력에 비하여 공급원료의 예열 도중 히터를 떠나는 압력에 있어서 빠른 압력 강하가 있을 경우, 코킹의 징후가 나타난다. 전형적으로, 히터 입구에서의 압력을, 라인 내에서 공급원료의 마찰로 인하여 히터를 빠져나가는 공급원료의 압력과 비교할 때 통상적으로 압력 강하가 존재한다. 그러나, 본 발명의 개발에서 알려진 바와 같이, 빠져나가는 압력 강하는 코킹이 일어나기 매우 쉽거나, 코킹이 일어날 징후이다. 더 상세하게는, 일단 항정 상태의 작업이 일어나고 공급원료가 원하는 속도/파라미터로 히터를 통해 유동하면, 히터를 빠져나가는 공급원료의 경우 일관된 또는 상당히 일관된 압력이 달성되고, 위에서 언급한 것과 같이, 이 압력은 전형적으로 공급원료와의 마찰력으로 인하여 히터 입구 압력보다 낮다. 그러나, 증기 막 형성이 일어나고/거나 코킹이 일어나기 시작할 경우, 히터 출구를 빠져나가는 공급원료의 경우 히터 출구 압력에 대해 신속한 또는 빠져나가는 압력 강하가 발생한다. 일단 항정 상태의 작업이 일어나면, 압력 강하에 있어서 2% 이상의 변화는 증기가 형성되고 있으며, 이것이 코킹을 초래할 것이라는 징후일 수 있다. 2% 이상, 3% 이상, 5% 이상, 7% 이상, 10% 이상, 15% 이상, 20% 이상, 예컨대 2% 내지 20% 이상의 빠져나가는 압력 강하는 증기가 형성되고 있으며, 이것이 십중팔구 코킹을 초래할 것이라는 징후이다. 더욱 구체적인 예로서, 히터로 진입하는 공급원료에 대하여 X의 히터 입구 압력을 가질 수 있고, 일단 항정 상태의 작업에 도달하면, 히터 출구 압력 (즉 히터를 빠져나오는 공급원료의 압력)은 X 내지 (0.8) X의 압력을 가질 수 있으며, 이 압력은 비-코킹 작업 도중, 항정 상태의 작업 도중 상기 더 낮은 압력을 본질적으로 유지할 것이다. 카본 블랙 제조 방법의 파라미터들이 달라질 경우에는 물론, 파라미터들의 변화로 인하여 압력도 변할 수 있다. 그러나, 실시예에서, 항정 상태의 작업이 도달하였고, 따라서, 히터를 빠져나가는 압력은 본질적으로 거의 변동 없이 유지될 것이다 (+/- 0% 내지 1.9%). 항정 상태의 작업 도중, 히터를 빠져나가는 공급원료의 압력 (또는 카본 블랙 반응기로 진입하기 전의 압력)이 위에 명시된 백분율 강하와 같이 2%를 초과하는 만큼 강하될 경우, 이는 빠져나가는 압력 강하일 것이고, 이는 공급원료 라인에서 증기가 형성되고 코킹이 초래될 가능성이 매우 높음을 의미한다. 본 발명의 방법은 증기 막의 형성 (예, 이동을 방해하는 증기 막의 형성) 및/또는 빠져나가는 압력 강하를 방지하는 카본 블랙의 제조 방법을 제공하며, 증기 막의 형성을 방지하는 분명한 표시는 본원에서 명시된 바와 같은 빠져나가는 압력 강하의 방지이다. 추가의 예로서, 항정 상태의 작업 도중 빠져나가는 압력 강하는 2% 이상의 압력 변화일 수 있고, 이는 15초 내지 1시간, 또는 30초 내지 30분, 또는 1분 내지 10분의 시간 안에 발생할 수 있고, 이는 본 발명의 방법에 의해 방지된다.
본 발명의 카본 블랙 제조에 적용된 오염 제어 전략은 공급원료 공급 라인의 내벽 위에 코크 또는 기타 오염물의 축적 속도를 감소 또는 방지하거나, 침착된 코크 또는 기타 오염물을 제거하거나, 그 둘 모두일 수 있다. 약 300℃를 초과하도록 가열된 공급원료를 운반하는 공급원료 공급 라인에서 오염 속도는 다음 접근법 중 하나 이상, 또는 이들 접근법의 임의 조합에 의해 감소되거나 방지될 수 있다: 더 높은 공급원료 압력을 사용함, 더 높은 공급원료 속도를 사용함, 공급원료 히터의 열 유량 능력을 감소시킴, 공급원료 공급 라인 (공급원료 히터에 있는 것들 포함)을 비-촉매성 물질로된 표면 층으로 라이닝함, 고온 부분에서 공급원료의 체류 시간을 감소시킴. 명시한 바와 같이, 공급원료 공급 라인으로부터 코크를 제거하는 것이 본 발명에서 오염 제어를 위한 또 다른 또는 추가의 접근법으로 사용될 수 있다. 코크 침착물은, 공급 라인 내에 발생할 경우, 예를 들어 공급원료 라인을 탄소용 산화제와 같은 퍼지 기체 또는 유체로 주기적으로 퍼징함으로써 제거될 수 있다. 공급원료 라인은 코크 제거를 위해 작게 부수거나 기계적으로 세정할 수 있다.
사용되는 이들 오염방지 접근법의 임의 조합의 경우, 하나의 목적은 공급원료 공급 라인에서 발생하는 총 오염 속도(즉, 코크 침착의 속도 뿐만 아니라 진행된 임의의 탈코킹 (코크 제거) 속도)를 최소화하는 것일 수 있다. 예열된 카본 블랙-생성 공급원료가 반응기에서 연속적으로 도입되어, 반응기 안에서 예를 들어 적어도 약 12시간, 또는 적어도 18시간, 또는 적어도 약 24시간, 또는 적어도 약 30시간, 또는 그 초과 (예, 12시간 내지 8개월 이상, 12시간 내지 6개월, 12시간 내지 3개월, 20시간 내지 1개월)의 기간 동안 방해 없이 (예, 공급원료 공급 라인이 오염으로 막히는 일 없이) 안정한 방식으로 카본 블랙을 형성할 수 있다. 본 발명의 방법에 있어서, 예컨대 실시예에 나타난 모델링을 기초로 하여 추정되는 원료 비용 절감은, 종래의 공급원료 온도 (300℃ 미만)에 비하여 공급원료의 오염 없이 제공된 작업의 안정한 방식으로, 공급 원료가 500℃로 예열되는 경우 10%를 초과하고, 공급원료가 700℃로 예열되는 경우 20%를 초과한다. 본 발명에는 또한 2가지 추가의 장점이 있다. 하나는 열분해 공정에서 시드를 예비-형성함으로 인한 수율 증가 메카니즘이다. 수율 증가의 제2 메카니즘은 주변 기체를 냉각시키지 않고 카본 블랙 반응기 내 공급원료의 플래시 자가-증발로 인한 것이다. 또한, 본 발명의 오염방지 전략은, 비경제적이고/거나 카본 블랙 공정 또는 제품에 부적절할 수 있는 화학적 첨가제를 필요로 하지 않는다.
나타낸 바와 같이, 본 발명의 오염 제어 접근법을 사용하여 공급원료를 약 300℃를 초과하는 온도, 또는 500℃를 초과하는 다른 온도로 가열할 수 있다. 본 발명의 진보로 인하여 공급원료 온도는 예를 들어 적어도 310℃, 적어도 350℃, 적어도 375℃, 적어도 400℃, 적어도 425℃, 적어도 약 450℃, 또는 적어도 약 500℃, 또는 적어도 약 550℃, 또는 적어도 약 600℃, 또는 적어도 약 650℃, 또는 적어도 약 700℃, 또는 적어도 약 750℃, 또는 적어도 약 800℃, 적어도 850℃, 또는 약 305℃ 내지 약 850℃, 또는 약 350℃ 내지 약 850℃, 또는 약 450℃ 내지 약 750℃, 또는 약 450℃ 내지 약 700℃, 또는 약 500℃ 내지 약 750℃, 또는 약 500℃ 내지 약 700℃일 수 있다. 상기 공급원료 온도는 공급원료를 예열하는 데 사용된 히터(들)를 빠져나온 직후 및/또는 카본 블랙 반응기 내에 도입되기 직전 카본 블랙 형성 공급원료의 온도이다. 이러한 면에서 공급원료의 온도는, 공급원료 온도가 약 300℃를 초과하는 값으로 상승되는 시점으로부터 공급 원료가 반응기에 도입되는 공급 라인의 배출 말단까지 상기 공급원료 공급 라인을 따라서 하나 이상의 지점에서 측정 또는 감지될 수 있다. 상기 공급원료 공급 라인은 공급원료 온도가 약 300℃를 초과하는 값으로 상승되는 이후, 그리고 공급원료 히터로부터 반응기까지 뻗어있는 추가의 공급 라인 부분에서의 운반 이전, 공급원료 히터 내 임의 길이의 관을 포함한다. 하나의 선택사항으로, 예열된 공급원료 온도는 301℃ 이상의 예열된 공급원료 공급 라인에서 절대적인 최소 값을 가질 수 있고/거나, 하나의 선택사항으로, 예열된 공급원료 공급 라인 중 온도의 최대 변동은, 공급원료 공급 라인을 따르는 모든 지점을 고려할 때, 예를 들어 ±20%, 또는 ±10%, 또는 ±5%, 또는 ±2.5%, 또는 ±1%, 또는 ±0.5%일 수 있다. 이들 나타낸 공급원료 온도는 본원에 나타낸 각종 오염 제어 공정 변수와 조합되어 사용될 수 있다.
언급된 공급원료 속도를 이용하는 오염 제어는 적어도 부분적으로, 공급원료(들)를 상기 속도에서 히터에, 및/또는 공급원료를 예열하는 히터를 통해, 및/또는 공급원료 공급 라인을 통해 반응기에 공급하는 것을 포함할 수 있다. 속도는 예를 들어 적어도 약 0.2 m/sec, 또는 적어도 약 0.5 m/sec, 또는 적어도 약 1 m/sec, 또는 적어도 약 1.6 m/sec, 또는 적어도 약 2 m/sec, 또는 적어도 약 3 m/sec, 또는 약 0.2 m/sec 내지 약 10 m/sec, 또는 약 1 m/sec 내지 약 7 m/sec, 또는 약 1.5 m/sec 내지 3 m/sec, 또는 약 2 m/sec 내지 약 6 m/sec, 또는 약 3 m/sec 내지 약 5 m/sec일 수 있다. 공급원료 속도는 관 또는 기타 공급 라인 구조의 세로 축에 대한 선속도이다. 공급원료 속도 (제1 속도)는, 공급원료를 예열하는 히터 내로 도입되는 지점에서 측정된다. 히터(들)를 통한 및/또는 히터(들)를 빠져나온 후 공급원료 속도는 제1 속도와 동일 또는 상이할 수 있으며, 예를 들어 더 클 수 있다 (예, 적어도 1% 더 큰, 적어도 2% 더 큰, 적어도 3% 더 큰, 적어도 5% 더 큰, 적어도 7% 더 큰, 적어도 10% 더 큰, 적어도 100% 더 큰, 적어도 200% 더 큰, 예컨대 1% 내지 300% 더 큰, 또는 50% 내지 200% 더 큰, 등). 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도를 기준으로, 그리고 측정되는 공급원료 라인에 존재하는 최소 단면적을 기준으로 측정 또는 계산된다. 상기 공급원료 공급 라인은 공급원료 온도가 약 300℃를 초과하는 값으로 상승된 지점 및/또는 그 후, 그리고 공급원료 히터로부터 반응기까지 뻗어있는 추가의 공급 라인 부분에서의 운반 이전, 공급원료 히터 내 임의 길이의 관을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 공급원료 속도는 0.2 m/sec 이상의 공급원료 공급 라인 내 절대적인 최소 값을 가질 수 있고/거나, 하나의 선택사항으로, 공급원료 공급 라인 중 공급원료 속도의 최대 변동은, 공급원료 공급 라인을 따르는 모든 지점을 고려할 때, 예를 들어 ±20%, 또는 ±10%, 또는 ±5%, 또는 ±1%, 또는 ±0.5%일 수 있다.
공급원료 가압을 이용하는 오염 제어는, 적어도 부분적으로, 카본 블랙-생성 공급원료를 예를 들어 약 10 bar를 초과하는, 또는 약 20 bar를 초과하는, 또는 약 30 bar를 초과하는, 또는 약 40 bar를 초과하는, 또는 약 50 bar를 초과하는, 또는 약 10 내지 약 180 bar, 또는 약 20 내지 약 180 bar, 또는 약 40 내지 약 180 bar, 또는 약 50 내지 약 180 bar 이상의 압력으로 가압하는 것을 포함할 수 있다. 본원에서 공급원료 압력은 절대 압력으로 주어진다. 압력 (제1 압력)은 예열하기 위한 히터 내로 도입하기 전의 지점에서 측정된 압력이다. 공급원료를 예열하는 히터(들)를 통한 압력 및/또는 반응기에 대한 도입 지점 이후의 압력은 제1 압력과 동일 또는 상이할 수 있으며, 예컨대 제1 압력보다 낮을 수 있다 (예, 적어도 1% 더 낮은, 적어도 2% 더 낮은, 적어도 3% 더 낮은, 적어도 5% 더 낮은, 적어도 7% 더 낮은, 적어도 10% 더 낮은, 적어도 15% 더 낮은, 적어도 20% 더 낮은, 예컨대 1% 내지 25% 더 낮은, 또는 3% 내지 20% 더 낮은, 등). 게이지 압력 측정은 본원에 나타낸 범위에 비교하기 위해 공지된 방식으로 절대 값으로 조절되어야 한다. 공급원료 압력은, 공급원료 온도가 약 300℃를 초과하는 값으로 상승되는 시점으로부터 공급 원료가 반응기에 도입되는 공급 라인의 배출 말단까지 상기 공급원료 공급 라인을 따라서 하나 이상의 지점에서 측정 또는 감지될 수 있다. 상기 공급원료 공급 라인은 공급원료 온도가 약 300℃를 초과하는 값으로 상승되는 이후, 그리고 공급원료 히터로부터 반응기까지 뻗어있는 추가의 공급 라인 부분에서의 운반 이전, 공급원료 히터 내 임의 길이의 관을 포함한다. 상기 압력은 오염 제어를 위해 공급원료 온도와 직접 관계될 수 있다. 예를 들어, 10 bar의 공급원료 압력은 300℃의 공급원료 온도에서 오염을 제어하기 적절할 수 있는 반면, 공급 원료가 500℃로 증가되고 다른 모든 것이 동일한 경우에는 같은 정도의 오염 제어를 제공하기 위해 10 bar를 초과하는, 예컨대 20 bar 이상의 증가된 압력이 더욱 유용할 수 있다.
낮은 총 공급원료 체류 시간을 사용하는 오염 제어가 사용될 수 있다. 총 공급원료 체류 시간은 예열된 카본 블랙-생성 공급원료가 반응기에 도입되기 전에 보내는 시간을 포함하여 예열을 위해 하나 이상의 히터에서 보내는 시간을 합한 것일 수 있다. 총 체류 시간은 예를 들어 약 120분 미만, 또는 약 90분 미만, 또는 약 60분 미만, 또는 약 45분 미만, 또는 약 30분 미만, 또는 15분 미만, 또는 10분 미만, 또는 5분 미만, 또는 4분 미만, 또는 3분 미만, 또는 2분 미만, 또는 1분 미만, 또는 30초 미만, 또는 15초 미만, 또는 약 1/60분 내지 약 120분, 또는 약 0.5분 내지 약 120분, 또는 약 1분 내지 약 90분, 또는 약 2분 내지 약 60분, 또는 약 3분 내지 약 45분, 또는 약 4분 내지 약 30분, 또는 5 내지 30분, 또는 5 내지 40분, 또는 10 내지 30분, 또는 약 5분 내지 약 15분일 수 있다. 체류 시간은 평균 값 또는 최대 값 또는 최소 값일 수 있다. 상기 공급원료 체류 시간은 공급원료 온도가 약 300℃를 초과하는 값으로 상승한 시점으로부터 공급원료가 반응기에 도입되는 시점까지 측정될 수 있다. 체류 시간은 공급원료 온도와 반비례 관계일 수 있다. 예를 들어, 약 120분 이하의 공급원료 체류 시간은 310℃의 공급원료 온도에서 오염 문제 없이 견딜 수 있지만, 공급원료 온도가 500℃로 증가하고 모든 다른 것이 동일할 경우, 같은 수준의 오염 제어를 제공하기 위해서 체류 시간은 바람직하게는 120분 미만까지 감소될 수 있다.
예를 들어 공급원료 히터에서, 공급원료의 예열 도중 오염 제어는 예를 들어 약 10 kW/m2을 초과하는, 또는 약 20 kW/m2을 초과하는, 또는 약 30 kW/m2을 초과하는, 또는 약 50 kW/m2을 초과하는, 또는 약 100 kW/m2을 초과하는, 또는 약 10 kW/m2 내지 약 150 kW/m2 (또는 그 초과), 또는 약 20 내지 약 150 kW/m2, 또는 약 30 내지 약 100 kW/m2, 또는 약 40 내지 약 75 kW/m2, 또는 약 50 내지 약 70 kW/m2의 평균 열 유량에서 작동하는 히터를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 더 높은 열 유량에서의 작업이 오염 제어 수단으로 보여질 수 있는데, 그 이유는, 목적한 예열 온도에 도달하는 데 보다 적은 시간이 필요하므로, 보다 높은 열 유량이 카본 블랙-생성 공급원료가 더 빨리 가열되는 결과를 가져오고/거나 히터 내 보다 짧은 체류 시간을 허용하기 때문이다.
공급원료 공급 라인의 공급원료-접촉 내벽 위에서 탄화수소의 크래킹 (예, 열 크래킹) 및/또는 중합에 대하여 비-촉매성인 표면을 사용하는 오염 제어는 적어도 부분적으로, 예를 들어 세라믹 라이닝 (예, 실리카, 알루미나, 산화크로뮴)과 같은 하나 이상의 층(들)의 보호 라이닝을 포함할 수 있다.
공급원료 공급 라인을 통한 퍼지 기체의 주기적인 온-라인 공급을 이용하는 오염 제어는 탄소용 산화제 (예, CO2, 산소, 수증기, 수증기와 공기 혼합물)를, 공급원료 라인을 따라 접근가능한 지점(들)에서 공급원료 공급 라인 내에 주입하는 것을 포함할 수 있다. 퍼지 기체는 임의의 액체 공급원료 펌프주입 수단의 하류에서, 150℃ 이상 또는 300℃를 초과하는 온도에서 도입될 수 있다. 퍼지 라인을 통한 수증기 속도는 예를 들어 적어도 약 6 m/sec일 수 있다. 공급원료의 임의의 데드레그(deadleg)를 없앰으로써 상기 퍼징이 모든 공급원료를 반응기 내에 즉시 불어넣도록 할 수 있다. 퍼지 기체가 공급원료 히터의 상류에 도입되어, 300℃를 초과하는 공정 온도에 노출된 모든 공급 라인이 처리되도록 또한 보장할 수 있다.
나타낸 바와 같이, 공급원료 라인으로부터 제거된 코크에 의한 오염 제어는 예를 들어 스폴링(spalling) 기계적 스크래핑을 포함할 수 있다. 예를 들어 스폴링은 코크-피복된 온-라인 관을 냉각시켜, 관의 내부 위에 침착된 적어도 일부의 코크가 부서져 떨어지게 하거나, 아니면 관이 냉각 도중 크기가 수축되면서 관 내벽으로부터 부서져 떨어지도록 하는 것을 수반할 수 있다. 헐렁해진 코크는 관으로부터 씻겨 내릴 수 있고, 상기 스폴링된 관은 바로 다시 사용될 수 있다. 스폴링 도중, 공급원료는, 예컨대 밸브를 이용하여, 장치 위에 구비된 반응기를 향하는 또 다른 온-라인 공급 라인(들)을 통해 관으로부터 전환되어 스폴링될 수도 있다. 일단 세정된 후, 스폴링된 관은 바로 다시 사용될 수 있다. 공급원료 관으로부터 침착된 코크를 세정하는 또 다른 방법은 관을 통해 기계적 스크래퍼를 움직여 관의 내부로부터 코크를 기계적으로 제거하는 것을 수반할 수 있다. 기계적 스크래핑 도중, 공급원료는 예컨대 밸브를 사용하여 장치 위에 구비된 반응기를 향하는 또 다른 온-라인 공급라인(들)을 통해 전환될 수 있으며, 그 동안 세정을 위해 오프-라인으로 되어 있는 관이 일시적으로 작용하지 않는다. 스폴링 및/또는 기계적 스크리핑은, 사용될 경우, 공급원료 공급 라인 위에서 주기적으로 수행될 수 있다.
본 발명을 이용하여 오염을 제어하면서 고온에서 가공될 수 있는 카본 블랙-생성 공급원료는 카본 블랙 제조를 위해 유용한 임의의 탄화수소 액체 또는 오일 공급원료를 포함할 수 있다. 적합한 액체 공급원료는 예를 들어 불포화 탄화수소, 포화 탄화수소, 올레핀, 방향족 물질, 및 기타 탄화수소, 예컨대 케로센, 나프탈렌, 테르펜, 에틸렌 타르, 석탄 타르, 크래커 잔류물, 및 방향족 순환 원료 (aromatic cycle stocks), 또는 이들의 임의 조합을 포함한다. 공급원료는 예를 들어, 데칸트 오일, 석탄 타르 제품, 에틸렌 크래커 잔류물, 아스팔텐 함유 오일, 또는 이들의 임의 조합일 수 있다. 공급원료 유형은 오염 거동에 영향을 줄 수 있다. 상이한 공급원료 유형들 간에 및/또는 하나의 공급원료 유형 내에서 화학은 변할 수 있다. 경험 및 실험실 시험을 근거로, 예를 들어 데칸트 오일, 코커 오일, 석탄 타르 및 에틸렌 크래커 잔류물은 모두 약 300℃를 초과하는 다양한 온도에서 오염시킬 수 있다. 에틸렌 크래커 잔류물 (ECR)은 예를 들어 아스팔텐에서 비교적 많이 존재할 수 있다. 다른 공급원료 유형도 아스팔텐을 함유하고/거나 다른 오염 메카니즘을 수행하는 화학을 가질 수 있다.
공급원료의 아스팔텐 함량은 예를 들어, 총 공급원료 중량을 기준으로, 0% 내지 약 30 중량%, 또는 적어도 약 0.5 중량%, 또는 적어도 약 1 중량%, 또는 적어도 약 2 중량%, 또는 적어도 약 3 중량%, 또는 약 1% 내지 약 10 중량%, 또는 약 2% 내지 약 7.5 중량%, 또는 약 2.5% 내지 약 5 중량%일 수 있다. 공급원료는 예를 들어, 약 160℃ 내지 약 500℃, 또는 약 180℃ 내지 약 450℃, 또는 약 200℃ 내지 약 400℃, 또는 225℃ 내지 약 350℃의 초기 비점을 가질 수 있다. 초기 비점은 (공급원료 중) 제1 공급원료 성분이 증발되는 온도를 의미한다. 공급원료는 예를 들어 약 380℃ 내지 약 800℃ 또는 약 400℃ 내지 약 500℃, 또는 약 425℃ 내지 약 475℃, 또는 440℃ 내지 약 460℃의 중간범위 비점을 가질 수 있다. 상기 중간범위 비점은 50%의 공급원료 성분이 증발된 온도를 의미한다. 공급원료는 예를 들어 약 600℃ 내지 약 900℃, 또는 약 625℃ 내지 약 725℃, 또는 약 650℃ 내지 약 700℃, 또는 670℃ 내지 약 690℃의 최종 비점을 가질 수 있다. 최종 비점은 공급원료 성분의 100%가 증발된 온도를 의미한다. 공급원료의 선택 및 화학에 따라, 다른 초기, 중간범위 및/또는 최종 비점이 적용될 수도 있다.
오염 제어 공정 변수의 조합의 예시적 범위를 표 1에 나타낸다.
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전술한 및 본원에 제공된 다른 지침의 관점에서, 예열된 공급원료 공급 라인의 오염 제어를 제공하기 위한 공정 변수의 적합한 조합은 당업자에 의해 직접적인 방식으로 결정될 수 있다.
본 발명의 방법은 본원에서 관계된 바와 같은 적합화 및 개조를 거쳐 카본 블랙 로 반응기와 함께 사용될 수 있다. 본 발명의 방법은 예를 들어, "단계를 가진 (staged)" 카본 블랙 로 반응기라고도 불리는 모듈러(modular)에서 실시될 수 있다. 본 발명을 실시하기 위해 적합화 또는 개조될 수 있는 단계를 가진 로 반응기는 예를 들어 미국 특허 번호 3,922,335; 4,383,973; 5,190,739; 5,877,250; 5,904,762; 6,153,684; 6,156,837; 6,403,695; 및 6,485,693 B1에서 볼 수 있으며, 이들은 모두 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 본 발명에 의해 제공되는 오염 제어는, 하나의 선택사항으로, 공급원료 예열의 적어도 일부가, 반응기의 하나 이상의 위치로부터 로 반응기에 의해 발생된 열로 공급원료를 가열함으로써 이루어지는 것을 허용할 수 있다. 이러한 유익은 몇 개의 도면을 참고하여 다음의 논의에서 설명된다.
본 발명은 또한 카본 블랙을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 그 장치 또는 시스템은:
가열된 기체 스트림과 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 조합하여, 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하기 위한 반응기;
카본 블랙-생성 공급원료를 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하여 상기 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하기 위한 하나 이상의 공급원료 공급 라인;
하나 이상의 공급원료 공급 라인에 공급된 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 약 300℃의 온도로 예열하도록 작동가능한 하나 이상의 공급원료 히터;
상기 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 약 300℃로 예열하기 전에 약 10 bar를 초과하는 압력으로 가압하고, 공급원료 히터 내 공급원료 속도가 적어도 약 0.2 m/sec가 되도록 작동가능한 하나 이상의 펌프; 및
반응 스트림에서 카본 블랙을 냉각시키기 위한 냉각기
를 포함한다.
상기 장치는 반응기에 도입하기 전, 하나 이상의 공급원료 히터 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인에서, 적어도 약 300℃로 예열된 공급원료에 대하여 약 120분 미만의 공급원료 체류 시간을 제공하도록 작동가능하다.
하나 이상의 공급원료 히터는 위에 언급된 것과 같을 수 있고, 카본 블랙-생성 공급원료를 약 10 kW/m2을 초과하는 평균 열 유량으로 가열하도록 작동가능한 열 교환기이거나 그를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 공급원료 히터는, 공급원료를 적어도 300℃, 예컨대 적어도 370℃의 온도로 가열하기 위해 작동가능한 반응 스트림에 의해 접촉가능하도록 반응기 내에 위치할 수 있다. 하나 이상의 공급원료 히터는, 공급원료를 적어도 300℃, 예컨대 적어도 370℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 반응기의 적어도 일부와 (직접 또는 간접) 접촉하도록 위치할 수 있다. 상기 하나 이상의 공급원료 히터는 냉각기의 하류에 있는 반응기 내에 위치한 열 교환기이거나, 그를 포함하며, 여기에서 상기 열 교환기는 공급원료가 하나 이상의 공급원료 공급 라인에 공급되기 전, 그 제1 면 위에서 반응 스트림에 의해 가열되도록 적합하게 되고, 그의 반대 면 위에서 공급원료와 접촉하도록 적합하게 된 벽들을 포함하고, 상기 공급원료는 상기 열 교환기에서 적어도 300℃, 예컨대 적어도 370℃의 온도로 가열가능하다. 상기 장치는 반응 스트림에 의해 접촉가능하도록 반응기 내에 위치한 유동성 열 담체를 위해 하나 이상의 열 교환기를 포함할 수 있고, 상기 하나 이상의 공급원료 히터는 반응기의 외부에 있고, 상기 열 교환기를 빠져나온 유동성 열 담체의 열을 공급원료 히터에서 공급원료와 교환하여 상기 공급원료를 적어도 300℃, 예컨대 적어도 370℃의 온도로 가열하도록 작동가능하다. 상기 하나 이상의 공급원료 히터는 반응기(상기 예열 공급원료를 수용하는 반응기 또는 다른 것)의 테일 가스 스트림으로부터 열을 교환하여 상기 공급원료를 적어도 300℃, 예컨대 적어도 370℃의 온도로 가열하도록 작동가능할 수 있다. 상기 장치는 가열된 기체 스트림의 적어도 일부를 제공하기 위한 플라즈마-가열가능한 기체 스트림을 가열하도록 작동가능한 플라즈마 히터를 포함할 수 있다. 상기 장치는 공급원료 히터의 공급원료 접촉 벽 및/또는 상기 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 공급원료 접촉 내벽의 일부 또는 전부 위에 비-촉매성 표면을 포함할 수 있고, 여기에서 상기 표면은 탄화수소의 열 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성이다. 상기 장치는 공급원료 히터의 공급원료 접촉 벽 및/또는 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 공급원료 접촉 내벽 위에 비-촉매성 세라믹 라이닝을 포함할 수 있다. 상기 장치는 1종 이상의 퍼지 기체 공급원, 예컨대 탄소용 산화제, 및 상기 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 퍼지 기체로 주기적으로 퍼징하도록 작동가능한 하나 이상의 공급원료 공급 라인 위에 하나 이상의 퍼지 기체 도입 지점을 포함할 수 있다. 반응기는 공급원료와 가열된 기체 스트림을 조합하여 적어도 약 12시간 동안 반응기 내에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하도록 작동가능할 수 있다.
일례로, 도 1은 예열의 적어도 일부가 카본 블랙-생성 공급원료를 반응기 중 반응 스트림으로 가열하여 상기 공급원료를 약 300℃를 초과하는 온도로 가열하는 것을 포함하는, 카본 블랙을 제조하기 위한 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 일종의 카본 블랙 로 반응기의 일부를 보여준다. 나타낸 오염 제어 접근법의 하나 이상이 도 1에 보여진 공정도에 적용되어 그러한 예열된 공급원료의 사용을 지지한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 카본 블랙은, 수렴하는 직경을 갖는 선택적 영역 (11), 공급원료 주입 영역(들) (12) 및 반응 영역(들) (13)을 갖는, 연소 영역 (10)을 갖는 카본 블랙 로 반응기 (2)에서 제조될 수 있다. 제1 냉각 영역 (14)이 반응 영역 (13)을 뒤따른다. 사용될 수 있는 이들 다양한 영역의 유용한 직경 및 길이는 참고로 포함되는 상기-명시된 특허들을 참고하여 선택될 수 있다. 카본 블랙을 제조하기 위해, 액체 또는 기체상 연료를 공기, 산소, 공기와 산소의 혼합물 등과 같은 적합한 산화제와 반응시킴으로써 고온의 연소 기체가 연소 영역 (10)에서 생성된다. 연소 영역 (10)에서 산화제 스트림과 반응시켜 고온의 연소 기체를 발생하는 데 사용하기 적합한 연료들 중에는, 바로 연소가능한 기체, 증기, 및/또는 천연 가스, 수소, 일산화탄소, 메탄, 아세틸렌, 알콜 또는 케로센과 같은 액체 스트림 중 임의의 것이 포함된다. 그러나, 높은 함량의 탄소-함유 성분 및, 특히 탄화수소를 갖는 연료를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 본 발명의 카본 블랙을 제조하기 위해 사용되는 공기 대 천연 가스의 화학량론적 비는 약 0.6:1 내지 무한 또는 약 1:1 (화학량론적 비) 내지 무한일 수 있다. 고온의 연소 기체의 생성을 촉진하기 위해, 산화제 스트림은 예열될 수 있다. 고온의 연소 기체 스트림은 영역 10 및 11로부터 영역 12 및 13, 이어서 14를 향해 하류로 유동한다. 고온의 연소 기체의 유동 방향을 도 1에 화살표로 나타낸다. 카본 블랙-생성 공급원료 (15)는 영역 (12)에 위치한 지점 (16)에서 도입된다. 공급원료는 프로브(들)를 통해, 영역 (12)의 벽에서 점 (16)에 위치한 복수의 구멍을 통해서 방사상 안쪽으로, 또는 이들 두 가지의 조합으로 도입될 수 있다. 공급원료는 영역 11, 12 및/또는 13의 임의 위치에서 버너를 통해 축방향으로 삽입된 프로브(들)를 통해 축방향으로 또는 방사상으로 도입될 수 있다 (스팅어 작업). 반응 조건 하에 쉽게 휘발될 수 있는, 카본 블랙-생성 공급원료의 유형으로 본원에 사용하기 적합한 것은 앞에서 명시한 공급원료들을 포함한다. 반응기/버너 팁은 높은 공급원료 온도에서 더욱 침식되기 쉽다. 예를 들어, 스텔라이트(STELLITE)? 6 금속 합금과 같은 재료가 팁의 수명을 연장하기 위해 사용될 수 있다.
도 1에 나타낸 것과 같이, 카본 블랙-생성 공급원료 (15)는 반응기 (2) 내로 도입되기 전에 약 300℃를 초과하는 온도로 예열된다. 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 하나 이상의 공급원료 공급 라인 (17)에서, 반응기 (2)를 향하는 하나 이상의 공급원료 도입 지점 (16)으로 공급된다. 도입 시, 공급원료는 가열된 기체 스트림과 조합되어, 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성한다. 반응 스트림에서 카본 블랙은 하나 이상의 영역에서 냉각될 수 있다. 예를 들어 냉각 영역 (14)의 냉각 위치 (18)에서, 냉각 유체가 주입되는데, 이는 물을 포함할 수 있으며, 이는 카본 블랙-생성 공급원료의 열분해를 완전히 또는 실질적으로 완전히 중지시키거나, 열분해를 중지시키지 않고 공급원료를 단지 부분적으로 냉각시킨 다음, 2차적 냉각(도시되지 않음)을 이용하여 카본 블랙-생성 공급원료의 열분해를 중지시키도록 사용될 수 있다.
도 1에서도 나타낸 것과 같이, 공급원료 히터는 열 교환기 (19) (HXR)를 가지며, 이는 공지의 열 교환기 디자인에 사용된 것과 같이, 그의 제1 면 위에 반응 스트림에 의해 가열되고, 공급원료가 상기 하나 이상의 공급원료 공급 라인에 공급되기 전 그의 반대 면 위에 공급원료를 접촉시키는 히터 벽(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 명시한 바와 같이, 공급원료는 열 교환기에서 약 300℃를 초과하는 온도로 가열된다. 냉각기의 하류에 배열된 것으로 나타냈지만, 히터가 반응기 내에서 보다 높은 냉각-전 온도에서 견디고 작동할 수 있는 구조를 갖는다면, 상기 공급원료 열 교환기는 반응 스트림에서 냉각기의 상류에 위치할 수도 있다. 공급원료 히터는 반응기의 적어도 일부와, 예를 들어 코일 또는 관 수납 내부로서, 및/또는 가열된 벽 또는 반응기의 벽에 반대되거나 접촉하여, 공급원료를 약 300℃를 초과하는 온도로 가열하도록 물리적으로 접촉하게 배열될 수 있다. 도 1에는 나타내지 않았지만, 열 교환기는 상기 공급원료를 중간 온도 (예, 250℃ 초과 또는 50℃ 내지 350℃, 또는 목표 예열 온도 미만의 다른 온도)로 임의로 가열하거나, 300℃를 초과하는 예열 온도를 얻기 위해 사용될 수 있으며, 그 후 추가의 열 교환기 또는 반응기 외부 또는 내부 히터가 최종 예열 온도까지 가열하는 데 사용될 수 있다.
반응기 내의 반응 스트림은 예를 들어 약 600℃ 내지 약 2000℃, 또는 약 800℃ 내지 1800℃, 또는 약 1000℃ 내지 약 1500℃, 또는 로 반응기에서 발생되는 극도의 발열 반응을 반영하는 기타 더 높은 온도의 냉각 시 온도를 가질 수 있다. 본 발명은 공급원료 공급 라인에서 오염의 문제를 발생하지 않고 반응기에서 반응에 의해 발생된 높은 발열반응의 열과 공급원료의 열 교환을 제공할 수 있다. 즉 본 발명은 훨씬 더 낮은 공급원료 온도에서 작동되는 종래의 카본 블랙 제조에 비하여 에너지 회수를 개선하고 원료 비용을 절약하는 것을 용이하게 할 수 있다.
또한 도 1에서 보는 바와 같이, 공급원료 온도를 300℃를 초과하는 값으로 상승시키는 데 사용된 공급원료 히터 (19)로부터 상류에 있는 공급원료 라인 위에 하나 이상의 펌프 (20)가 인-라인 설치될 수 있다. 상기 펌프는 그것이 공급원료 히터로 들어가기 전에 공급원료를 가압하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 공급원료는 공급원료 온도가, 가압 또는 다른 명시된 오염 제어 접근법이 없었더라면 공급원료 공급 라인에서 오염의 문제가 발생하였을, 상승된 값으로 증가된 시점에 이미 가압될 수 있다. 공급원료는 통상의 작업 조건 (예, 0 내지 약 20 bar의 압력 강하) 하에, 예를 들어 열 교환기 디자인 및 작업 방식에 따라, 공급원료 히터를 통과하는 도중 압력 강하를 경험할 수 있으므로, 오염 제어 척도로 공급원료에 적용된 임의의 가압은 공급원료 열 교환기에서 일어날 수 있거나 일어날 것으로 예상되는 임의의 압력 강하, 뿐만 아니라 예열된 공급원료를 반응기로 운반하기 위해 사용되는 공급 라인 관 또는 다른 도관에서 발생하거나 발생이 예상될 수 있는 임의의 다른 압력 강하에 대하여, 특히 필요하다면 미리-목적한 범위 값 내에서 공급원료 압력을 유지하도록, 보상해야 한다. 도 1 및 본원의 다른 도면에서 도면을 단순화하기 위해, 단지 하나의 공급원료 공급 라인 및 공급원료 주입 지점이 반응기 위에 도시되었지만, 명시된 오염 제어가 또한 적용될 수 있는 다수의 공급원료 공급 라인 및 주입 지점이 반응기 위에 사용될 수 있는 것으로 이해된다.
고온의 연소 기체 및 카본 블랙-생성 공급원료의 혼합물이 냉각된 후, 냉각된 기체는 임의의 통상적인 냉각 및 분리 단계 내로 하류로 통과하고, 그에 의해 카본 블랙이 회수된다. 기체 스트림으로부터 카본 블랙의 분리는 침전기, 사이클론 분리기 또는 봉지 필터와 같은 통상적인 장치에 의해 쉽게 수행될 수 있다. 반응을 완전히 중지시켜 최종 카본 블랙 생성물을 형성함에 있어서, 카본 블랙-생성 공급원료 도입의 하류에서 반응을 중지시키기 위한 임의의 종래 방법이 사용될 수 있고, 당업자에게 공지되어 있다. 예를 들어, 냉각 유체가 주입될 수 있으며, 이는 물, 또는 화학 반응을 중지시키기 적합한 기타 유체일 수 있다.
도 2는 카본 블랙을 제조하기 위해 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 또 다른 유형의 카본 블랙 로 반응기의 일부를 나타내는데, 여기에서, 예열의 적어도 일부는 열 교환기 (21)를 반응기 내 반응 스트림과 접촉시키는 것을 포함하고, 여기에서 열 교환기를 통해 유동하는 수증기나 질소와 같은 유동성 열 매체 또는 담체 (28)는 반응기에서 가열되고, 가열된 수증기(예, 초가열된 수증기)는 그 후 열 교환기와 반응기 밖으로 나와, 반응기 외부에 위치한 별도의 공급원료 히터 (22)를 통해 관으로 운반되어, 거기에서 공급원료 히터 내 공급원료와 열 교환되어 공급원료를 약 300℃를 초과하는 온도, 예컨대 370℃ 또는 그 초과으로 가열하도록 작동가능하다.
도 3은 카본 블랙을 제조하기 위해 본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 또 다른 유형의 카본 블랙 로 반응기의 일부를 나타내는데, 여기에서 예열의 적어도 일부는, 공급원료 히터에서 공급원료를 약 300℃를 초과하는 온도로 (또는 적어도 부분적으로 목표 온도까지) 가열하기 위해 반응기를 빠져나온 테일 가스와 공급원료 히터 (23)를 접촉시키는 것을 포함한다.
도 4는 본 발명의 방법에 사용될 수 있는 카본 블랙 로 반응기의 또 다른 유형을 나타내는데, 여기에서 가열된 기체 스트림은 플라즈마 히터 (25)를 사용하여 적어도 부분적으로 또는 완전히 가열된, 적어도 부분적으로 또는 완전히 가열된 기체 (24)를 더 포함한다. 기체의 플라즈마 가열은 예를 들어, 당업자에게 공지된 방법에 의해 수행될 수 있다. 그 전문이 본원에 참고로 포함되는 미국 특허 번호 5,486,674에 나타낸 것과 같은 플라즈마 토치가 사용될 수 있으며, 그 전문이 본원에 참고로 포함되는 미국 특허 번호 4,101,639 및 3,288,696에 나타낸 플라즈마 가열을 참고할 수 있다.
또한 도 4에 나타난 바와 같이, 공급원료는 반응기 내 열 교환기 (26) 중 반응 스트림과 교환된 열을 갖는 열 매체 (예, 수증기)에 의해 간접적으로 가열되거나, 그렇지 않으면, 상기 공급원료는 점선으로 나타낸 것과 같은 반응기 중 열 교환기 (26)에서 직접 가열될 수 있다.
본 발명의 이들 다양한 공정도에서 반응기 내부 또는 외부에서 공급원료를 예열하기 위해 사용되는 열 교환기 디자인은 외피와 관, 외피와 코일, 플레이트와 틀 등과 같은 임의의 통상적인 열 교환기 디자인을 가질 수 있다. 열 교환기가 인라인 코일 구조를 갖는 경우, 예를 들어 부식/침식 문제를 방지하기 위한 인라인 코일을 위해 스케줄 80 관과 엘보우가 사용될 수 있다. 또한, 인라인 코일 관을 구성하는데 관들 사이의 일정한 피치가 사용될 수 있고 코일은 연도 기체 헤더의 전체 단면적을 사용할 수 있다. 인라인 코일의 경우 열 전달 계수는 다양한 등급 및 다양한 설비의 경우 상당히 변할 수 있다.
또한, 기재된 공정도 및 방법을 위한 공급 원료 중 임의의 것은 통상의 카본 블랙을 제조하기 위해 일반적으로 사용되는 추가의 물질 또는 조성물을 함유할 수 있다. 본 발명의 방법은 또한 주기율표의 하나 이상의 IA족 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)이거나 그를 함유하는 1종 이상의 물질을 도입하는 것을 포함한다. 하나 이상의 IA족 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)를 함유하는 물질은 1종 이상의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 함유한다. 그 예는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프란슘, 칼슘, 바륨, 스트론튬, 또는 라듐, 또는 이들의 조합을 포함한다. 이들 성분의 1종 이상의 임의 혼합물이 상기 물질에 존재할 수 있다. 그 물질은 고체, 용액, 분산액, 기체 또는 이들의 임의 조합일 수 있다. 동일 또는 상이한 IA족 및/또는 IIA족 금속 (또는 그의 이온)을 갖는 2종 이상의 물질이 사용될 수 있다. 다수의 물질이 사용될 경우, 그 물질들은 함께, 별도로, 순차적으로, 또는 다른 반응 위치에서 첨가될 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 그 물질은 금속(또는 금속 이온) 자체, 이들 원소의 1종 이상을 함유하는 염을 포함하여, 이들 원소의 1종 이상을 함유하는 화합물 등일 수 있다. 상기 물질은 금속 또는 금속 이온을, 카본 블랙 생성물을 형성하기 위해 진행 중인 반응 내에 도입할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 1종 이상의 IA 및/또는 IIA족 금속 (또는 그의 이온)을 함유하는 물질은, 사용될 경우, 반응기 내 임의의 지점에서, 예를 들어 완전한 냉각 이전에 도입될 수 있다. 예를 들어, 상기 물질은, 제1 반응 단계에서 카본 블랙-생성 공급원료의 도입 이전; 제1 반응 단계에서 카본 블랙-생성 공급원료의 도입 도중; 제1 반응 단계에서 카본 블랙-생성 공급원료의 도입 후; 임의의 제2 카본 블랙-생성 공급원료의 도입 이전, 도중, 또는 직후; 또는 제2 카본 블랙-생성 공급원료의 도입 후지만 완전한 냉각 이전 임의의 단계를 포함하여, 완전한 냉각 이전 임의의 시점에 첨가될 수 있다. 상기 물질의 2개 이상의 도입 지점이 사용될 수도 있다.
IA 및/또는 IIA족 금속 (또는 그의 이온) 함유 물질의 양은, 사용될 경우, 카본 블랙 생성물이 형성될 수 있는 한 임의의 양일 수 있다. 상기 물질은, 200 ppm 이상의 IA족 원소 또는 이온 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)가 최종 형성된 카본 블랙 생성물에 존재하도록 한다면 임의의 양으로 첨가될 수 있다. 다른 양은 약 200 ppm 내지 약 20,000 ppm 이상을 포함하고, 다른 범위는 약 500 ppm 내지 약 20,000 ppm, 또는 약 1,000 ppm 내지 약 20,000 ppm, 또는 약 5,000 ppm 내지 약 20,000 ppm, 또는 약 10,000 ppm 내지 약 20,000 ppm, 또는 약 300 ppm 내지 약 5,000 ppm, 또는 약 500 ppm 내지 약 3,000 ppm, 또는 약 750 ppm 내지 약 1,500 ppm의, 형성되는 카본 블랙 생성물 중 존재하는 IA족 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)의 양일 수 있다. 이들 수준은 금속 이온 농도에 관한 것일 수 있다. 형성되는 카본 블랙 생성물에 존재하는 IA족 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)의 상기 양은 1종 또는 그를 초과하는 IA족 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)에 관한 것일 수 있으며, 따라서, 형성되는 카본 블랙 생성물에 존재하는 IA족 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)의 합한 양일 것이다. 따라서, 이러한 양은 IA족 원소/이온 또는 IIA족 원소/이온 함량에만 적용될 수 있다. 상기 물질은 임의의 방식으로 첨가될 수 있다. 상기 물질은 카본 블랙-생성 공급원료가 도입되는 것과 같은 방식으로 첨가될 수 있다. 그 물질은 기체, 액체, 또는 고체, 또는 이들의 임의 조합으로 첨가될 수 있다. 상기 물질은 한 지점 또는 여러 지점에서 첨가될 수 있고, 단일 스트림 또는 복수의 스트림으로 첨가될 수 있다. 상기 물질은 그 도입 이전 또는 도중, 공급원료, 연료, 및/또는 산화제와 함께 혼입될 수 있다.
예를 들어 칼륨과 같은, 1종 이상의 IA족 및/또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)를 함유하는 물질이 공급원료 내에 도입될 수 있는 하나의 방법은 그 물질을 공급원료 내에 도입함으로써이다. 또 다른 방법에서, 상기 물질은 공급원료와 별도로, 예컨대 반응기 안으로 뻗어있는 주입 봉을 사용하여 반응기 내에 도입된다. 고온의 공급원료에 칼륨 용액을 가하는 것은, 예컨대 칼륨의 플래싱으로부터 결과되는, 팁이 막힐 우려가 있을 수 있다. 칼륨 이온 또는 기타 IA 및/또는 IIA족 금속 (또는 그의 이온)을 버너 내의 주입 봉으로 주입하는 것이 그러한 위험성을 완화시키기 위해 사용될 수 있다. 반응기에 칼륨 또는 기타 IA 및/또는 IIA족 금속 (또는 그의 이온)을 도입하기 위해 표준의 구멍보다 큰 구멍을 갖는 봉을 사용하는 것이 막힘의 위험성을 줄이거나 부하 도중 봉의 세정을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 높은 칼륨 이온 등급의 카본 블랙을 제조할 때 버너 라이너 손상의 위험성을 감소시키기 위해, 공급원료 온도는, 칼륨 이온이 오일 내로 주입될 수 있도록, >300℃ 범위에서 여전히 더 낮은 값으로 감소될 필요가 있을 것이다. >300℃ 공급원료 예열의 경우, 칼륨의 또 다른 오일 용해성 형태, 예컨대 오엠 그룹(OM Group)의 제품인 카탈리스트(CATALYST)? 460 HF 물질이 사용될 수 있으며, 이는 공급원료 내에 직접 주입될 수 있다. 카탈리스트? 460 HF 물질은 공급원료에 용해성인, 칼륨의 유기 염(포타슘 네오데카노에이트)이고, 따라서 이는 수용액의 경우와 같은 플래싱 문제의 위험성이 없을 것이다. 따라서, 고온의 공급원료와 오염방지 전략이 합쳐진 것을 기반으로 하는 본 발명의 공정도는 공정-내 카본 블랙 개질제, 예컨대 구조 조절 첨가제 (예, 칼륨 또는 기타 알칼리 금속/이온 공급원)의 사용과 양립하도록 적합하게 될 수 있다.
본 발명에 의해 실현가능해진 공급원료 예열 조건 및 디자인은, 예를 들어 향상된 에너지 회수, 원료 비용의 절감, 카본 블랙의 증가, 이산화탄소 배출의 감소, 높은 공급원료 온도 조건에서 공업적으로 유용한 시간 동안 안정하고 연속적인 카본 블랙의 제조, 또는 이들의 임의 조합과 같은 장점 및 유익을 제공할 수 있다. 300℃를 초과하는 온도까지 증가된 공급원료의 예열은 일정한 생산 조건 하에 질량 속도 기준으로 황과 NOx의 배출 수준을 감소시킬 것으로 예상될 수 있다. 카본 블랙 1 kg 당 배출 속도는 모든 작업 조건 하에 감소될 것으로 예상된다. 배출 농도는 선택되는 특정 작업 조건에 의존할 것이다.
앞에서 명시된 유익과 장점 외에, 공급원료 예열의 다른 잠재적 유익이 본 발명에 따라 구현될 수 있다. 수율 증가 메카니즘은 열분해 공정에서 예비-형성 시드로부터 초래될 수 있다. 특정 이론에 구애되기를 원하지 않지만, 공급원료는 예비 단계 도중 폴리방향족 탄화수소 (PAH)의 탈수소 반응 및 비-방향족 기의 제거를 진행할 수 있다. 탈수소된 PAH는 원래 물질보다 더 빠르게 시드를 형성할 것이 예상된다. 실시예에서는 탈수소의 속도를 조절하기 위해 높은 압력이 나타났다. 본원에 상세히 나타낸 압력, 체류 시간, 및/또는 온도 조절은 대형 PAH 분자의 형성을 조절할 수 있고, 이는 잠정적으로 카본 블랙 시드의 생성을 위한 조절 메카니즘을 제공할 수 있다. 명시된 바와 같이, 고온의 공급원료 열분해의 아래쪽은 코킹 및 그릿 형성의 가능성이 있는데, 이는 공급원료의 높은 온도 조건이 그 자리에서의 오염 제어 접근법과 조합되는 본 발명에서 완화되거나 방지된다. 수율 증가의 제2 메카니즘은 예를 들어 주위의 기체를 냉각시키지 않고 카본 블랙 반응기에서 예열된 공급원료의 플래시 증발에 의한 것일 수 있다. 공급원료의 플래시 증발은 공급원료 분무화를 위해 버너 연도 기체를 사용할 필요성을 없앨 것이다. 카본 블랙 반응기에서 대기압 근처로 주입될 경우, 300℃를 초과하는 온도로 예열된 공급원료는 자가-증발되고 버너 연도 기체와 혼합되기 충분한 내부 에너지를 가질 수 있다.
임의의 종류의 ASTM 등급 (예, N100 내지 N1000) 또는 다른 등급의 카본 블랙이 본 발명에 의해 제조될 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 제조된 카본 블랙은 높은 공급원료 예열 온도를 사용함으로 인한 하나 이상의 독특한 성질 (또는 유익한 성질) 및/또는 변수, 및/또는 본원에 언급된 공정 변수를 가질 수 있다. 본 발명의 방법 및 장치 배열에 의해 제조된 카본 블랙은, 통상의 양 또는 그보다 적은 양을 사용하여, 종래의 카본 블랙이 사용되는 임의의 최종 용도 응용, 예를 들어 잉크, 안료, 플라스틱 제품, 봉합제, 접착제, 코팅, 엘라스토머 제품, 토너, 연료 전지, 타이어 또는 그의 부품, 성형된 부품, 전자 요소, 케이블, 와이어, 또는 그의 부품 등에 사용될 수 있다.
본 발명에 의하여, 얻어질 수 있는 하나의 장점은 종래의 방식으로 제조된 카본 블랙과 동일한 형태 및/또는 다른 파라미터를 갖는 상업적으로 허용되는 카본 블랙의 형성이다. 본 발명에 따르면, 동일한 형태 및/또는 다른 파라미터를 갖는 상업적으로 허용되는 카본 블랙이 본 발명의 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 하나의 선택사항으로, 본 발명에 의해 수득될 수 있는 하나의 장점은 훨씬 더 낮은 PAH 양을 갖는 카본 블랙의 형성이다. 카본 블랙에서 더 낮은 PAH 양은 카본 블랙의 성능을 변화시키지 않으며, 일반적으로 높은 PAH 양은 다양한 이유로 바람직하지 않다. 본 발명에 의하면, 선택된 카본 블랙은 동일한 반응기 조건 및 공급원료(그러나 공급원료를 카본 블랙 반응기에 공급하기 전 300℃를 초과하는 온도로 공급원료를 예열하지 않음)를 사용하여 통상적인 방법에 의해 제조된 선택된 카본 블랙과 동일한 형태 또는 본질적으로 동일한 형태(즉, OAN, COAN 등과 같은 하나 이상의 형태에서 ±5% 변동 내의 형태 값)를 가지고 제조될 수 있다. 본 발명의 선택된 카본 블랙의 PAH 수준은 ppm 중량 기준으로, 동일한 형태를 갖지만, 카본 블랙을 형성하기 위해 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 도입하기 전 300℃를 초과하도록 예열하지 않고 동일한 반응기 조건 및 공급원료를 사용하여 제조된 선택된 카본 블랙과 비교할 때, ppm 수준으로 10% 내지 50%, 20% 내지 50%, 또는 30% 내지 100% 이상 감소될 수 있다. 또한, 카본 블랙 중 PAH 수준은 3 가지 분자량 (MW) 카테고리로 분리될 수 있다: 높은 MW PAH (250을 초과하는 중량-평균 MW); 중간 MW PAH (200 내지 250의 중량-평균 MW); 및 낮은 MW PAH (250 미만의 중량-평균 MW). 본 발명은 동일한 형태를 갖지만, 카본 블랙을 형성하기 위해 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 도입하기 전 300℃를 초과하도록 예열하지 않고 동일한 반응기 조건 및 공급원료를 사용하여 제조된 선택된 카본 블랙과 비교할 때, 높은 MW 및/또는 중간 MW PAH 양의 하나 이상을 ppm 수준으로 10% 내지 50%, 20% 내지 50%, 또는 30% 내지 100% 또는 그 초과로 감소시키는 능력을 갖는다. 더욱이, 본 발명은, 동일한 형태를 갖지만 카본 블랙을 형성하기 위해 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 도입하기 전 300℃를 초과하도록 예열하지 않고 동일한 반응기 조건 및 공급원료를 사용하여 제조된 선택된 카본 블랙과 비교할 때, 선택된 카본 블랙의 총 PAH 양으로부터 높은 MW PAH (가장 바람직하지 못한 것으로 간주됨)의 백분율을 크게 감소시키는 능력을 갖는다. 총 PAH 양으로부터 높은 MW PAH의 백분율은 카본 블랙을 형성하기 위해 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 도입하기 전 300℃를 초과하도록 예열하지 않고 동일한 반응기 조건 및 공급원료를 사용하여 제조된 선택된 카본 블랙과 비교할 때, 10% 내지 50%, 20% 내지 50%, 또는 30% 내지 100% 또는 그 초과의 양만큼 감소될 수 있다. 상기 측정은 본 발명을 이용하여 제조된 동일한 형태를 갖는 선택된 카본 블랙과, 카본 블랙을 형성하기 위해 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 도입하기 전 300℃를 초과하도록 예열하지 않고, 그 외에는 동일한 반응기 조건 및 공급원료를 사용하여 제조된 선택된 카본 블랙을 비교하는 실험을 근거로 수행된다. 이는 본 발명으로 수득할 수 있는 중요한 장점이다.
본 발명은 다음의 측면/실시양태/특징을 임의의 순서 및/또는 임의의 조합으로 포함한다:
1. 본 발명은
가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 300℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지며, 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되고, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 약 120분 미만의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 약 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 120분 이하인 단계;
상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수(예, 냉각)하는 단계
를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법에 관한 것이다.
2. 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 10 bar를 초과하는 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
3. 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 20 bar를 초과하는 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
4. 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 20 bar 내지 약 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
5. 상기 속도가 적어도 약 1 m/sec인 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
6. 상기 속도가 적어도 약 1.6 m/sec인 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
7. 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 데칸트 오일, 석탄 타르 제품, 에틸렌 크래커 잔류물, 아스팔텐 함유 오일, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
8. 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 약 160℃ 내지 약 500℃의 초기 비점을 갖는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
9. 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료의 상기 예열이, 약 10 kW/m2를 초과하는 평균 열 유량으로 작동하는 열 교환기를 갖는 상기 히터에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것을 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
10. 상기 예열의 적어도 일부가, 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다에 의해 발생된 열에 의해 적어도 부분적으로 제공된 열을 갖는 상기 하나 이상의 히터 내에서 일어나는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
11. 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간을 합한 것이 60분 미만인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
12. 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기의 적어도 일부와 열 교환하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
13. 상기 하나 이상의 히터가 냉각기의 하류에 있는 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 접촉하고, 여기서 상기 하나 이상의 히터가 그의 제1 면 위에서 상기 반응 스트림에 의해 가열된 벽을 가지고 그 반대 면 위에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료와 접촉하는 열 교환기를 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
14. 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 열 교환하는 열 교환기를 포함하고, 여기서 상기 열 교환기를 통해 유동하는 유동성 열 담체가 가열되고, 상기 가열된 유동성 열 담체가 반응기의 외부에 위치하고 상기 유동성 열 담체의 열을 공급원료와 교환하여 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하도록 작동가능한, 상기 하나 이상의 히터를 통과하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
15. 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다로부터의 카본 블랙 테일 가스에 의해 적어도 부분적으로 열을 공급받아 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
16. 가열된 기체 스트림을 도입하는 것이, 플라즈마 히터에서 플라즈마-가열성 기체 스트림을 플라즈마 가열하여 가열된 기체 스트림의 적어도 일부를 제공하는 것을 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
17. 상기 하나 이상의 히터의 카본 블랙-생성 공급원료 접촉 벽 및 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 내벽 위에 비-촉매성 표면을 제공하는 것을 더 포함하고, 상기 표면은 탄화수소의 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
18. 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 하나 이상의 카본 블랙-생성 공급원료 공급 라인을 통해 탄소용 산화제를 포함하는 퍼지 기체를 주기적으로 공급하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
19. 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 부분적으로 플래싱하면서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기 내로 주입하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
20. 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료 및 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기에서 조합하여 적어도 약 12시간 동안 반응기에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
21. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
360℃ 미만의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 360℃ 내지 약 850℃의 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지며, 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되고, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 약 120분 미만의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 약 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 약 10초 내지 약 120분인 단계;
상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수(예, 냉각)하는 단계
를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
22. 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 20 bar를 초과하는 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
23. 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 30 bar를 초과하는 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
24. 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 30 bar 내지 약 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
25. 상기 속도가 적어도 약 1 m/sec인 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
26. 상기 속도가 적어도 약 1.6 m/sec인 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
27. 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 데칸트 오일, 석탄 타르 제품, 에틸렌 크래커 잔류물, 아스팔텐 함유 오일, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
28. 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 약 160℃ 내지 약 500℃의 초기 비점을 갖는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
29. 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료의 상기 예열이, 약 20 kW/m2를 초과하는 평균 열 유량으로 작동하는 열 교환기를 갖는 상기 히터에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것을 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
30. 상기 예열의 적어도 일부가, 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다에 의해 발생된 열에 의해 적어도 부분적으로 제공된 열을 갖는 상기 하나 이상의 히터 내에서 수행되는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
31. 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간을 합한 것이 60분 미만인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
32. 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기의 적어도 일부와 열 교환하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
33. 상기 하나 이상의 히터가 냉각기의 하류에 있는 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 접촉하고, 여기서 상기 하나 이상의 히터가 그의 제1 면 위에서 상기 반응 스트림에 의해 가열된 벽을 가지며 상기 카본 블랙-생성 공급원료에 앞서 그 반대 면 위에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료와 접촉하는 열 교환기를 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
34. 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 열 교환하는 열 교환기를 포함하고, 여기서 상기 열 교환기를 통해 유동하는 유동성 열 담체가 가열되며, 상기 가열된 유동성 열 담체가 반응기의 외부에 위치하고 상기 유동성 열 담체의 열을 공급원료와 교환하여 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하도록 작동가능한, 상기 하나 이상의 히터를 통과하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
35. 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다로부터의 카본 블랙 테일 가스에 의해 적어도 부분적으로 열을 공급받아 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
36. 가열된 기체 스트림을 도입하는 것이, 플라즈마 히터에서 플라즈마-가열성 기체 스트림을 플라즈마 가열하여 가열된 기체 스트림의 적어도 일부를 제공하는 것을 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
37. 상기 하나 이상의 히터의 카본 블랙-생성 공급원료 접촉 벽 및 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 내벽 위에 비-촉매성 표면을 제공하는 것을 더 포함하고, 여기서 상기 표면은 탄화수소의 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
38. 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 하나 이상의 카본 블랙-생성 공급원료 공급 라인을 통해 탄소용 산화제를 포함하는 퍼지 기체를 주기적으로 공급하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
39. 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 부분적으로 플래싱하면서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기 내로 주입하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
40. 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료 및 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기에서 조합하여 적어도 약 12시간 동안 반응기에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
41. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
450℃ 미만의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 450℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지며, 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되고, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 10초 내지 약 120분의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 약 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 120분 이하인 단계;
상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수(예, 냉각)하는 단계
를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
42. 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 20 bar 내지 약 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
43. 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 30 bar 내지 약 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
44. 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 약 40 bar 내지 약 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
45. 상기 속도가 적어도 약 1 m/sec인 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
46. 상기 속도가 적어도 약 1.6 m/sec인 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
47. 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 데칸트 오일, 석탄 타르 제품, 에틸렌 크래커 잔류물, 아스팔텐 함유 오일, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
48. 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 약 160℃ 내지 약 500℃의 초기 비점을 갖는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
49. 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료의 상기 예열이, 약 20 kW/m2 내지 약 150 kW/m2의 평균 열 유량으로 작동하는 열 교환기를 갖는 상기 히터에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것을 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
50. 상기 예열의 적어도 일부가, 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다에 의해 발생된 열에 의해 적어도 부분적으로 제공된 열을 갖는 상기 하나 이상의 히터 내에서 일어나는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
51. 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간을 합한 것이 60분 미만인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
52. 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기의 적어도 일부와 열 교환하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
53. 상기 하나 이상의 히터가 냉각기의 하류에 있는 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 접촉하고, 여기서 상기 하나 이상의 히터가 그의 제1 면 위에서 상기 반응 스트림에 의해 가열된 벽을 가지며 상기 카본 블랙-생성 공급원료에 앞서 그 반대 면 위에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료와 접촉하는 열 교환기를 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
54. 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 열 교환하는 열 교환기를 포함하고, 여기서 상기 열 교환기를 통해 유동하는 유동성 열 담체가 가열되며, 상기 가열된 유동성 열 담체가 반응기의 외부에 위치하고 상기 유동성 열 담체의 열을 공급원료와 교환하여 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하도록 작동가능한 상기 하나 이상의 히터를 통과하는 것인 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
55. 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다로부터의 카본 블랙 테일 가스에 의해 적어도 부분적으로 열을 공급받아 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
56. 가열된 기체 스트림을 도입하는 것이, 플라즈마 히터에서 플라즈마-가열성 기체 스트림을 플라즈마 가열하여 가열된 기체 스트림의 적어도 일부를 제공하는 것을 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
57. 상기 하나 이상의 히터의 카본 블랙-생성 공급원료 접촉 벽 및 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 내벽 위에 비-촉매성 표면을 제공하는 것을 더 포함하고, 여기서 상기 표면이 탄화수소의 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
58. 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 하나 이상의 카본 블랙-생성 공급원료 공급 라인을 통해 탄소용 산화제를 포함하는 퍼지 기체를 주기적으로 공급하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
59. 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 부분적으로 플래싱하면서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기 내로 주입하는 것을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
60. 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료 및 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기에서 조합하여 적어도 약 12시간 동안 반응기에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
61. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
300℃ 미만의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 10 bar를 초과하는 제1 압력에서 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 300℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서, 제1 압력 및 제2 압력 도중 공급원료가 같은 단면적을 이동한다는 가정을 기초로 계산할 때, 상기 제1 압력보다 낮거나 같은 제2 압력을 가지며, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 약 120분 미만의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 약 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 120분 이하인 단계;
상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수(예, 냉각)하는 단계
를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
62. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
300℃ 미만의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 10 bar를 초과하는 제1 압력에서 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 300℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 i) 상기 하나 이상의 히터에서 상기 제1 압력보다 낮거나 같은 제2 압력을 가지며 ii) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지고, 여기서 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되며, i)은 제1 압력 및 제2 압력 도중 공급원료가 이동하는 같은 단면적을 기준으로 계산되는 것인 단계;
상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계;
상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수(예, 냉각)하는 단계
를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
63. 가열된 기체 스트림과 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 조합하여, 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하기 위한 반응기;
카본 블랙-생성 공급원료를 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하여 상기 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하기 위한 하나 이상의 공급원료 공급 라인;
하나 이상의 공급원료 공급 라인에 공급된 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 약 300℃의 온도로 예열하도록 작동가능한 하나 이상의 공급원료 히터;
상기 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 약 300℃로 예열하기 전에 약 10 bar를 초과하는 압력으로 가압하고, 하나 이상의 공급원료 히터에 공급되는 공급원료의 공급원료 속도가 적어도 0.2 m/sec가 되도록 작동가능한 하나 이상의 펌프이며, 여기서 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되는 것인 펌프; 및
임의로, 상기 반응 스트림에서 카본 블랙을 냉각시키기 위한 냉각기
를 포함하고;
또한, 적어도 약 300℃로 예열된 공급원료를 반응기에 도입하기 전에 하나 이상의 공급원료 히터 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인 중에 약 120분 미만의 공급원료 체류 시간을 제공하도록 작동가능한, 카본 블랙 제조용 장치.
64. 하나 이상의 공급원료 히터가 카본 블랙-생성 공급원료를 약 10 kW/m2을 초과하는 평균 열 유량으로 가열하도록 작동가능한 열 교환기를 포함하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
65. 하나 이상의 공급원료 히터가, 공급원료를 적어도 300℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 반응 스트림에 의해 접촉가능하도록 반응기 내에 위치하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
66. 하나 이상의 공급원료 히터가, 공급원료를 적어도 300℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 반응기의 적어도 일부와 접촉하여 위치하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
67. 상기 하나 이상의 공급원료 히터가 냉각기의 하류에 있는 반응기 내에 위치한 열 교환기를 포함하고, 상기 열 교환기는 공급원료가 하나 이상의 공급원료 공급 라인에 공급되기 전, 그의 제1 면 위에서 반응 스트림에 의해 가열되도록 적합하게 되고 그의 다른 면 위에서 공급원료에 의해 접촉되도록 적합하게 된 벽을 포함하고, 상기 공급원료는 상기 열 교환기에서 적어도 300℃의 온도로 가열가능한 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
68. 반응 스트림에 의해 접촉가능하도록 반응기 내에 위치한 유동성 열 담체를 위한 열 교환기를 더 포함하고, 하나 이상의 공급원료 히터는 반응기의 외부에 있고 열 교환기를 빠져나온 유동성 열 담체의 열을 공급원료 히터 내 공급원료와 교환하여 상기 공급원료를 적어도 300℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
69. 하나 이상의 공급원료 히터가, 반응기의 테일 가스 스트림으로부터의 열을 교환하여 공급 원료를 적어도 300℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
70. 가열된 기체 스트림의 적어도 일부를 제공하기 위해 플라즈마-가열성 기체 스트림을 가열하도록 작동가능한 플라즈마 히터를 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
71. 공급원료 히터의 공급원료 접촉 벽 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 공급원료 접촉 내벽 위에 비-촉매성 표면을 더 포함하고, 여기서 상기 표면은 탄화수소의 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
72. 공급원료 히터의 공급원료 접촉 벽 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 공급원료 접촉 내벽 위에 비-촉매성 세라믹 라이닝을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
73. 탄소용 산화제를 포함하는 퍼지 기체의 하나 이상의 공급원, 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 퍼지 기체로 주기적으로 퍼징하도록 작동가능한 하나 이상의 공급원료 공급 라인 위에 하나 이상의 퍼지 기체 도입 지점을 더 포함하는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
74. 상기 반응기가 공급원료와 가열된 기체 스트림을 조합하여 적어도 약 12시간 동안 반응기에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하도록 작동가능한 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 장치.
75. 상기 예열이 상기 하나 이상의 히터 내에서 및/또는 상기 카본 블랙 반응기에 대한 상기 공급 이전에 증기 막의 형성을 방지하는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
76. 상기 예열 및/또는 상기 공급이, 항정 상태의 작동 조건을 기준으로, 빠져나가는 압력 강하가 없이 이루어지는 것인, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법.
77. 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 방법에 의해 형성된 카본 블랙.
78. 상기 예열이 없는 방법으로 제조된 동일한 형태를 갖는 카본 블랙에 비하여 적어도 10% 더 적은 PAH의 PAH 양을 갖는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 카본 블랙.
79. 상기 예열이 없는 방법으로 제조된 동일한 형태를 갖는 카본 블랙에 비하여 적어도 10% 더 적은 총 PAH 양을 기준으로 높은 MW PAH 양의 백분율을 갖는, 임의의 전술한 또는 후술하는 실시양태/특징/측면의 카본 블랙.
80. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 300℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지며, 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되고, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 약 120분 미만의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 약 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 120분 이하이고, 상기 예열은 상기 하나 이상의 히터에서 또는 상기 카본 블랙 반응기에 대한 상기 공급에 앞서 증기 막의 형성을 방지하는 충분한 압력에서 이루어지는 것인 단계;
상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수(예, 냉각)하는 단계
를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
본 발명은 문장 및/또는 단원에 기재된 바 상기 및/또는 하기 다양한 특성 또는 실시양태의 임의 조합을 포함할 수 있다. 본원에 개시된 특성의 임의의 조합은 본 발명의 일부로 간주되며 조합가능한 특성에 관하여 제한이 있는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 이하의 실시예에 의해 더 분명해 질 것이며, 이는 본 발명을 예시하도록 의도된다.
실시예
실시예 1
본 발명의 명시된 오염 제어 접근법에 의해 500℃ 및 700℃에서 안정하게 유지되는 작업이 가능한 카본 블랙 제조 체계에서 215℃, 500℃ 및 700℃의 공급원료 온도를 사용하여 두 등급의 카본 블랙 (A 및 B)에 대한 원료 비용 절감 가능성을 평가하기 위해 컴퓨터 기반 모델링을 이용하였다. 질량 및 에너지 균형에 대한 방법론 및 가정, 그리고 산업에 허용되는 실무에 따르는 반응 화학을 이용하여, 공정도를 모델링하기 위해 아스펜 플러스 (Aspen Plus) 컴퓨터 모델링 프로그램을 사용하였다. 상기 모델링에 사용된 모델 공정 순서도는 도 5에 나타낸 것과 유사하다. 도 5는 등급 A 및 500℃의 공급원료 예열 온도를 위한 공정도이며, 상기 일반적 공정 배치는 그렇지 않으면 다른 모델링된 공급원료 온도 및 등급의 조합에 적용된다. 도 5에 상세히 나타낸 공정도는 일반적으로 도 1에 나타낸 공정도와 유사하다. 도 5에서 보는 바와 같이, 공급원료는 초기 냉각 및 제2 냉각 위치 사이의 카본 블랙 반응기 연기의 열을 이용하여 가열된다. 계산에 사용되는 공급원료 열 용량을 도 6에 나타낸다. 공급원료는 비반응성인 것으로 가정되고; 열분해 반응의 흡열 효과는 공급원료 열 용량에 포함되지 않는다. 500℃ 및 700℃의 공급원료 예열 온도를 갖는 두 경우를 모델링하고, 등급 A 및 B에 대한 기준선의 경우(215℃ 예열)와 비교하였다.
모델링에 사용된 등급 A 및 B에 적용가능한 액체 탄소-생성 공급원료는 데칸트 오일 및 데칸트 오일/석탄 타르 혼합물이었다. 등급 A 및 B 액체 공급원료는 다음의 조성을 가졌다:
등급 A 데칸트 오일:
보다 높은 가열 값 [J/kg]: 39,524,446
최종 분석 [질량%]:
회분 0
탄소 88.68
수소 6.92
질소 0.31
염소 0
황 3.86
산소 0.23
등급 B 데칸트 오일/석탄 타르:
유량 [kg/hr]: 3,562
형성열 [J/kg]: 50,692
보다 높은 가열 값 [J/kg]: 39,878,687
최종 분석 [질량%]:
회분 0
탄소 88.62
수소 7.40
질소 0.31
염소 0
황 3.44
산소 0.23
석탄 타르 [질량%]: 30.0
표 2-7은 500℃ 및 700℃의 예열 온도의 각 온도에서 카본 블랙의 각 등급에 대한 모델링 계산에 사용된 미가공 데이터를 보여준다. 모델링 계산의 결과 또한 표에 나타낸다.
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
결과에서 나타나는 바와 같이, 215℃의 낮은 종래 공급원료 온도에서 처리되는 것에 비하여, 공급원료가 500℃로 예열되는 경우 10% 초과, 및 공급원료가 700℃로 예열되는 경우 20% 초과의 원료 비용 절감이, 공급원료의 오염이 없이 안정한 방식으로 이루어질 수 있다. 표 7에서 "CB 수율" 및 일부 다른 데이터는 215℃의 종래 공급원료 온도를 기준선 (100%)으로 사용하고 있으며, 보다 높은 온도로 예열된 공급원료를 상기 기준선에 대하여 비교하고 있다. 명시된 바와 같이 본 발명의 오염 제어 접근법은 공업적 규모의 작업을 포함하여, 그와 같이 높은 공급원료 온도에서도 작업을 용이하게 한다. 표 7에서, 반응기 에너지 효율 (REE)은 생성된 물질의 가열 값 대 조합된 에너지 입력의 비로 정의되며, 이는 공급원료 (FS) 및 버너 연료 및 전기 에너지의 가열 값을 포함한다. REE = (HHV-CB)/(HHV-공급원료 + HHV-천연 가스 + kWh/kg-CB 전기 에너지). 표 7에서, 버너 화학량론은 버너 화학량론적 공기 유량(버너 연료의 완전 연소에 요구되는 공기 유량)에 대한 버너 공기 유량의 백분율로 정의된다.
본 모델에서 언급된 유익은 N100 내지 N1000 등과 같은 임의의 ASTM 등급과 같은 임의의 카본 블랙을 이용하여 수행될 것이다. 상기 모델링은 동일한 유익을 나타낼 것이다.
실시예 2
이들 실시예에서, 이하에 더욱 설명하는 바와 같은 각종 공급원료 샘플을 이용하여 70℃부터 대략 500℃까지 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 예를 보여주기 위해 9가지 시험 진행을 수행하였다. 다양한 작업 파라미터를 표 8에 기재하고, 또한 사용된 공급원료의 유형을 표 8에 기재하며, 공급원료의 세부사항을 표 9에 기재한다. 표 8에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라, 카본 블랙-생성 공급원료를 약 500℃ 이상의 온도로 예열하여 카본 블랙의 성공적이고 연속적인 제조를 수득할 수 있다. 시험 번호 2-5, 8 및 9로부터 형성된 카본 블랙에서, 카본 블랙에 대하여 분석을 수행하고, 형태, 순도 등을 기준으로 카본 블랙으로 상업적 용도에 허용가능한지를 결정하였다. 본 발명으로부터 제조된 카본 블랙의 하나의 장점은 카본 블랙의 PAH 수준이, 같은 형태를 갖는 종래의 카본 블랙들보다 약 50% 더 적은 PAH (ppm 수준에서) 정도인 것으로 결정되었다. 즉, 본 발명의 하나의 추가 장점은 훨씬 낮은 PAH 양을 갖는 상업적으로 허용가능한 카본 블랙을 형성하는 능력이다. PAH 측정은 당 분야에서 이해되는 PAH-20 측정을 기초로 한다.
하기 표 8에서도 기재된 바와 같이, "빠져나가는 압력 강하"의 항목은 증기 막 및/또는 코킹이 형성되고 있거나 형성되려 하는지 여부에 대한 척도이다. 본 항목이 "무(NO)"일 경우, 이는 빠져나가는 압력 강하가 감지되지 않음을 의미하고, 사실상, 시험 진행은 그것이 코크 형성 없이, 그리고 히터 라인 또는 공급 라인에 증기 막 형성 없이 상업적으로-허용가능한 카본 블랙을 생성하기 때문에 성공으로 간주되었다. 빠져나가는 압력 강하에 대한 항목이 "유(YES)"일 경우, 이는 카본 블랙의 제조 도중 항정 상태의 작업 조건으로부터 빠른 압력 강하가 있었음을 나타내며, 이는 증기 막이 생성되고 있으며 장치의 코킹이 불가피함을 분명하게 보여주는 것이었다. 사실 상, 이러한 생각을 확인하기 위한 시험 번호 1에서, 빠져나가는 압력 강하가 시험 번호 1에서 나타났으며, 결국, 공급원료 히터의 부품을 분석해 보니, 히터 내의 공급라인에서 코킹이 육안으로 감지되어, 빠져나가는 압력 강하가 코킹의 불가피한 형성의 척도임이 확인되었다.
실시예 2-5, 8 및 9는 고온의 공급원료를 사용하여 카본 블랙이 제조될 수 있으며 증기 막의 형성 및 코킹을 방지하여 상업적으로 허용가능한 카본 블랙 제품을 산출할 수 있음을 보여준다.
실시예 1, 6 및 7에서, 빠져나가는 압력 강하가 확인된 경우, 및 본 발명을 이용하여 시험 번호 1에서 코킹이 발생되는 경우, 상기 시험 진행은 빠져나가는 압력 강하를 방지하도록, 그에 따라 히터 입구 압력을 조절하거나 히터 입구 압력을 상승시키고/거나 오일 입구 속도를 증가시키고/거나 히터 내 체류 시간을 감소시킴으로써 증기 막 및/또는 코킹의 형성을 방지하도록 조절될 수 있었다. 히터 입구 압력을 예를 들어 10% 이상 증가시킴으로써, 이는 카본 블랙-생성 공급원료의 예열 도중 히터 내 증기의 형성을 방지하는 데 효과가 있을 것이다. 본질적으로, 히터 입구 압력을 조절하는 것(전형적으로 압력을 상승시킴으로써), 오일 입구 속도를 증가시키는 것, 및/또는 체류 시간을 감소시키는 것의 임의 조합이 증기 형성을 감소시키고/거나 증기 형성을 없애고, 그에 따라 빠져나가는 압력 강하를 방지할 수 있다.
하기 실시예에서, 실시예 2-5, 8 및 9의 경우, 기준선 (100%)인 215℃의 종래 공급원료 온도를 사용하고, 더 높은 온도로 예열된 공급원료를, 상기 기준선에 비교함으로써 제조된 카본 블랙에 비하여, 카본 블랙 수율 향상 (중량% 기준)이 수득되었다. 이들 실시예에서 카본 블랙 수율은 4%부터 8%까지 (중량 기준) 향상되었다. 또한, 본 발명의 실시예는 기준선 (100%)인 215℃의 종래 공급원료 온도를 사용하여 제조된 카본 블랙에 비하여, 그리고 고온 예열된 공급원료를 위해 사용된 에너지를 상기 기준선에 비교하여 7% 내지 11%의 에너지 절감을 제공하였다. 즉, 본 발명은 보다 높은 수율의 카본 블랙을 제공하고, 그렇게 하기 위해 보다 적은 에너지를 사용하며, 이는 종래의 방법에 비하여 우수하고, 또한 예상되지 못했던 것이다.
Figure pct00008
Figure pct00009
본 출원인들은 본 개시내용에서 모든 인용된 문헌의 전체 내용을 구체적으로 도입한다. 또한, 양, 농도 또는 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위, 또는 바람직한 상한치 및 바람직한 하한치의 목록으로 주어질 경우에, 이는 범위들이 별도로 개시되었는지 여부와 관계없이, 임의의 범위 상한 또는 바람직한 값과 임의의 범위 하한 또는 바람직한 값의 임의의 쌍으로부터 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 수치의 범위가 본원에 언급되는 경우, 달리 명시되지 않는 한, 그 범위는 그의 말단값, 및 그 범위 내의 모든 정수 및 분수를 포함하도록 의도된다. 본 발명의 범위가 하나의 범위를 정의할 경우 언급된 특정 값에 국한되지 않도록 의도된다.
본 발명의 다른 실시양태는 본 명세서 및 그 안에 개시된 본 발명의 실시를 고려하여 당업자에게 분명할 것이다. 본 명세서 및 실시예는 단지 예시로서 고려되도록 의도되며, 본 발명의 진정한 범위 및 정신은 이하의 청구항 및 그의 등가물에 의해 나타낸다.

Claims (79)

  1. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
    1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
    상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 300℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지며, 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되고, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 120분 미만의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
    상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 120분 이하이고; 상기 예열은 상기 하나 이상의 히터에서 또는 상기 카본 블랙 반응기에 대한 상기 공급 이전에 증기 막의 형성을 방지하는 것인 단계;
    상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
    반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수하는 단계
    를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 10 bar를 초과하는 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 20 bar를 초과하는 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 20 bar 내지 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 속도가 적어도 1 m/sec인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 속도가 적어도 1.6 m/sec인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 데칸트 오일, 석탄 타르 제품, 에틸렌 크래커 잔류물, 아스팔텐 함유 오일, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 160℃ 내지 500℃의 초기 비점을 갖는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료의 상기 예열이 10 kW/m2를 초과하는 평균 열 유량으로 작동하는 열 교환기를 갖는 상기 히터에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것을 포함하는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 예열의 적어도 일부가, 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다에 의해 발생된 열에 의해 적어도 부분적으로 제공된 열을 갖는 상기 하나 이상의 히터 내에서 일어나는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간을 합한 것이 60분 미만인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기의 적어도 일부와 열 교환하는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 냉각기의 하류에 있는 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 접촉하고, 여기서 상기 하나 이상의 히터가 그의 제1 면 위에서 상기 반응 스트림에 의해 가열된 벽을 가지고 그 반대 면 위에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료와 접촉하는 열 교환기를 포함하는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 열 교환하는 열 교환기를 포함하고, 여기서 상기 열 교환기를 통해 유동하는 유동성 열 담체가 가열되며, 상기 가열된 유동성 열 담체가 반응기의 외부에 위치하고 상기 유동성 열 담체의 열을 공급원료와 교환하여 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하도록 작동가능한 상기 하나 이상의 히터를 통과하는 것인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다로부터의 카본 블랙 테일 가스에 의해 적어도 부분적으로 열을 공급받아 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 가열된 기체 스트림을 도입하는 것이, 플라즈마 히터에서 플라즈마-가열성 기체 스트림을 플라즈마 가열하여 가열된 기체 스트림의 적어도 일부를 제공하는 것을 포함하는 것인 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터의 카본 블랙-생성 공급원료 접촉 벽 및 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 내벽 위에 비-촉매성 표면을 제공하는 것을 더 포함하고, 상기 표면은 탄화수소의 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성인 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 하나 이상의 카본 블랙-생성 공급원료 공급 라인을 통해 탄소용 산화제를 포함하는 퍼지 기체를 주기적으로 공급하는 것을 더 포함하는 방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 부분적으로 플래싱(flashing)하면서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기 내로 주입하는 것을 더 포함하는 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료 및 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기에서 조합하여 적어도 12시간 동안 반응기에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
  21. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
    360℃ 미만의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
    상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 360℃ 내지 850℃의 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지며, 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되고, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 120분 미만의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
    상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 10초 내지 120분이고; 상기 예열은 상기 하나 이상의 히터에서 또는 상기 카본 블랙 반응기에 대한 상기 공급 이전에 증기 막의 형성을 방지하는 것인 단계;
    상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
    반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수하는 단계
    를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 20 bar를 초과하는 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 30 bar를 초과하는 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 30 bar 내지 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 속도가 적어도 약 1 m/sec인 방법.
  26. 제21항에 있어서, 상기 속도가 적어도 1.6 m/sec인 방법.
  27. 제21항에 있어서, 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 데칸트 오일, 석탄 타르 제품, 에틸렌 크래커 잔류물, 아스팔텐 함유 오일, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 방법.
  28. 제21항에 있어서, 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 160℃ 내지 500℃의 초기 비점을 갖는 것인 방법.
  29. 제21항에 있어서, 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료의 상기 예열이, 약 20 kW/m2를 초과하는 평균 열 유량으로 작동하는 열 교환기를 갖는 상기 히터에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것을 포함하는 것인 방법.
  30. 제21항에 있어서, 상기 예열의 적어도 일부가, 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다에 의해 발생된 열에 의해 적어도 부분적으로 제공된 열을 갖는 상기 하나 이상의 히터 내에서 일어나는 것인 방법.
  31. 제21항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간을 합한 것이 60분 미만인 방법.
  32. 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기의 적어도 일부와 열 교환하는 것인 방법.
  33. 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 냉각기의 하류에 있는 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 접촉하고, 여기서 상기 하나 이상의 히터가 그의 제1 면 위에서 상기 반응 스트림에 의해 가열된 벽을 가지며 상기 카본 블랙-생성 공급원료에 앞서 그 반대 면 위에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료와 접촉하는 열 교환기를 포함하는 것인 방법.
  34. 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 열 교환하는 열 교환기를 포함하고, 여기서 상기 열 교환기를 통해 유동하는 유동성 열 담체가 가열되며, 상기 가열된 유동성 열 담체가 반응기의 외부에 위치하고 상기 유동성 열 담체의 열을 공급원료와 교환하여 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하도록 작동가능한 상기 하나 이상의 히터를 통과하는 것인 방법.
  35. 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다로부터의 카본 블랙 테일 가스에 의해 적어도 부분적으로 열을 공급받아 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것인 방법.
  36. 제21항에 있어서, 가열된 기체 스트림을 도입하는 것이, 플라즈마 히터에서 플라즈마-가열성 기체 스트림을 플라즈마 가열하여 가열된 기체 스트림의 적어도 일부를 제공하는 것을 포함하는 것인 방법.
  37. 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터의 카본 블랙-생성 공급원료 접촉 벽 및 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 내벽 위에 비-촉매성 표면을 제공하는 것을 더 포함하고, 여기서 상기 표면은 탄화수소의 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성인 방법.
  38. 제21항에 있어서, 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 하나 이상의 카본 블랙-생성 공급원료 공급 라인을 통해 탄소용 산화제를 포함하는 퍼지 기체를 주기적으로 공급하는 것을 더 포함하는 방법.
  39. 제21항에 있어서, 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 부분적으로 플래싱하면서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기 내로 주입하는 것을 더 포함하는 방법.
  40. 제21항에 있어서, 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료 및 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기에서 조합하여 적어도 12시간 동안 반응기에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
  41. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
    450℃ 미만의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
    상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 450℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지며, 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되고, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 10초 내지 120분의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
    상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 120분 이하이고; 상기 예열은 상기 하나 이상의 히터에서 또는 상기 카본 블랙 반응기에 대한 상기 공급 이전에 증기 막의 형성을 방지하는 것인 단계;
    상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
    반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수하는 단계
    를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 20 bar 내지 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
  43. 제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 30 bar 내지 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
  44. 제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터에 진입하기 전에 40 bar 내지 180 bar의 압력을 갖도록 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가압하는 것을 더 포함하는 방법.
  45. 제41항에 있어서, 상기 속도가 적어도 1 m/sec인 방법.
  46. 제41항에 있어서, 상기 속도가 적어도 1.6 m/sec인 방법.
  47. 제41항에 있어서, 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 데칸트 오일, 석탄 타르 제품, 에틸렌 크래커 잔류물, 아스팔텐 함유 오일, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 것인 방법.
  48. 제41항에 있어서, 상기 카본 블랙-생성 공급원료가 160℃ 내지 500℃의 초기 비점을 갖는 것인 방법.
  49. 제41항에 있어서, 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료의 상기 예열이, 20 kW/m2 내지 150 kW/m2의 평균 열 유량으로 작동하는 열 교환기를 갖는 상기 히터에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것을 포함하는 것인 방법.
  50. 제41항에 있어서, 상기 예열의 적어도 일부가, 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다에 의해 발생된 열에 의해 적어도 부분적으로 제공된 열을 갖는 상기 하나 이상의 히터 내에서 일어나는 것인 방법.
  51. 제41항에 있어서, 상기 제1 체류 시간 및 상기 제2 체류 시간을 합한 것이 60분 미만인 방법.
  52. 제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기의 적어도 일부와 열 교환하는 것인 방법.
  53. 제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 냉각기의 하류에 있는 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 접촉하고, 여기서 상기 하나 이상의 히터가 그의 제1 면 위에서 상기 반응 스트림에 의해 가열된 벽을 가지며 상기 카본 블랙-생성 공급원료에 앞서 그 반대 면 위에서 상기 카본 블랙-생성 공급원료와 접촉하는 열 교환기를 포함하는 것인 방법.
  54. 제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기에서 상기 반응 스트림과 열 교환하는 열 교환기를 포함하고, 여기서 상기 열 교환기를 통해 유동하는 유동성 열 담체가 가열되며, 상기 가열된 유동성 열 담체가 반응기의 외부에 위치하고 상기 유동성 열 담체의 열을 공급원료와 교환하여 상기 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하도록 작동가능한 상기 하나 이상의 히터를 통과하는 것인 방법.
  55. 제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터가 상기 카본 블랙 반응기 또는 다른 카본 블랙 반응기 또는 이들 둘 다로부터의 카본 블랙 테일 가스에 의해 적어도 부분적으로 열을 공급받아 카본 블랙-생성 공급원료를 가열하는 것인 방법.
  56. 제41항에 있어서, 가열된 기체 스트림을 도입하는 것이, 플라즈마 히터에서 플라즈마-가열성 기체 스트림을 플라즈마 가열하여 가열된 기체 스트림의 적어도 일부를 제공하는 것을 포함하는 것인 방법.
  57. 제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 히터의 카본 블랙-생성 공급원료 접촉 벽 및 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 내벽 위에 비-촉매성 표면을 제공하는 것을 더 포함하고, 여기서 상기 표면이 탄화수소의 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성인 방법.
  58. 제41항에 있어서, 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 하나 이상의 카본 블랙-생성 공급원료 공급 라인을 통해 탄소용 산화제를 포함하는 퍼지 기체를 주기적으로 공급하는 것을 더 포함하는 방법.
  59. 제41항에 있어서, 상기 공급이, 상기 카본 블랙 반응기에 공급하는 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 통해 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 공급하는 것을 포함하고, 상기 방법이 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 부분적으로 플래싱하면서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기 내로 주입하는 것을 더 포함하는 방법.
  60. 제41항에 있어서, 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료 및 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기에서 조합하여 적어도 12시간 동안 반응기에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
  61. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
    300℃ 미만의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 10 bar를 초과하는 제1 압력에서 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
    상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 약 300℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서, 제1 압력 및 제2 압력 도중 공급원료가 같은 단면적을 이동한다는 가정을 기초로 계산할 때, 상기 제1 압력보다 낮거나 같은 제2 압력을 가지며, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 120분 미만의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
    상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 120분 이하이고; 상기 예열은 상기 하나 이상의 히터에서 또는 상기 카본 블랙 반응기에 대한 상기 공급 이전에 증기 막의 형성을 방지하는 것인 단계;
    상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
    반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수하는 단계
    를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
  62. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
    300℃ 미만의 제1 온도를 갖는 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 10 bar를 초과하는 제1 압력에서 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
    상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 300℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 i) 상기 하나 이상의 히터에서 상기 제1 압력보다 낮거나 같은 제2 압력을 가지며 ii) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지고, 여기서 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되며, i)은 제1 압력 및 제2 압력 도중 공급원료가 이동하는 같은 단면적을 기준으로 계산되는 것인 단계;
    상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열은 상기 하나 이상의 히터에서 또는 상기 카본 블랙 반응기에 대한 상기 공급 이전에 증기 막의 형성을 방지하는 것인 단계;
    상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
    반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수하는 단계
    를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
  63. 가열된 기체 스트림과 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 조합하여, 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하기 위한 반응기;
    카본 블랙-생성 공급원료를 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하여 상기 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하기 위한 하나 이상의 공급원료 공급 라인;
    하나 이상의 공급원료 공급 라인에 공급된 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 300℃의 온도로 예열하도록 작동가능한 하나 이상의 공급원료 히터;
    상기 카본 블랙-생성 공급원료를 적어도 300℃로 예열하기 전에 약 10 bar를 초과하는 압력으로 가압하고, 하나 이상의 공급원료 히터에 공급되는 공급원료의 공급원료 속도가 적어도 0.2 m/sec가 되도록 작동가능한 하나 이상의 펌프이며, 여기서 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되는 것인 펌프; 및
    상기 반응 스트림에서 카본 블랙을 냉각시키기 위한 냉각기
    를 포함하고;
    또한, 적어도 300℃로 예열된 공급원료를 반응기에 도입하기 전에 하나 이상의 공급원료 히터 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인 중에 120분 미만의 공급원료 체류 시간을 제공하도록 작동가능한, 카본 블랙 제조용 장치.
  64. 제63항에 있어서, 하나 이상의 공급원료 히터가 카본 블랙-생성 공급원료를 10 kW/m2을 초과하는 평균 열 유량으로 가열하도록 작동가능한 열 교환기를 포함하는 것인 장치.
  65. 제63항에 있어서, 하나 이상의 공급원료 히터가, 공급원료를 적어도 300℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 반응 스트림에 의해 접촉가능하도록 반응기 내에 위치하는 것인 장치.
  66. 제63항에 있어서, 하나 이상의 공급원료 히터가, 공급원료를 적어도 300℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 반응기의 적어도 일부와 접촉하여 위치하는 장치.
  67. 제63항에 있어서, 상기 하나 이상의 공급원료 히터가 냉각기의 하류에 있는 반응기 내에 위치한 열 교환기를 포함하고, 상기 열 교환기는 공급원료가 하나 이상의 공급원료 공급 라인에 공급되기 전, 그의 제1 면 위에서 반응 스트림에 의해 가열되도록 적합하게 되고 그의 반대 면 위에서 공급원료에 의해 접촉되도록 적합하게 된 벽을 포함하고, 상기 공급원료는 상기 열 교환기에서 적어도 300℃의 온도로 가열가능한 것인 장치.
  68. 제63항에 있어서, 반응 스트림에 의해 접촉가능하도록 반응기 내에 위치한 유동성 열 담체를 위한 열 교환기를 더 포함하고, 하나 이상의 공급원료 히터는 반응기의 외부에 있고 열 교환기를 빠져나온 유동성 열 담체의 열을 공급원료 히터 내의 공급원료와 교환하여 상기 공급원료를 적어도 300℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 것인 장치.
  69. 제63항에 있어서, 하나 이상의 공급원료 히터가, 반응기의 테일 가스 스트림으로부터의 열을 교환하여 공급 원료를 적어도 300℃의 온도로 가열하도록 작동가능한 것인 장치.
  70. 제63항에 있어서, 가열된 기체 스트림의 적어도 일부를 제공하기 위해 플라즈마-가열성 기체 스트림을 가열하도록 작동가능한 플라즈마 히터를 더 포함하는 장치.
  71. 제63항에 있어서, 공급원료 히터의 공급원료 접촉 벽 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 공급원료 접촉 내벽 위에 비-촉매성 표면을 더 포함하고, 여기서 상기 표면이 탄화수소의 크래킹 또는 중합에 대하여 비-촉매성인 장치.
  72. 제63항에 있어서, 공급원료 히터의 공급원료 접촉 벽 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인의 공급원료 접촉 내벽 위에 비-촉매성 세라믹 라이닝을 더 포함하는 장치.
  73. 제63항에 있어서, 탄소용 산화제를 포함하는 퍼지 기체의 하나 이상의 공급원, 및 하나 이상의 공급원료 공급 라인을 퍼지 기체로 주기적으로 퍼징하도록 작동가능한 하나 이상의 공급원료 공급 라인 위에 하나 이상의 퍼지 기체 도입 지점을 더 포함하는 장치.
  74. 제63항에 있어서, 상기 반응기가 공급원료와 가열된 기체 스트림을 조합하여 적어도 12시간 동안 반응기에서 카본 블랙을 연속적으로 형성하도록 작동가능한 것인 장치.
  75. 제1항 내지 제62항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예열 및 상기 공급이, 항정 상태의 작동 조건을 기준으로, 빠져나가는 압력 강하가 없이 이루어지는 것인 방법.
  76. 제1항 내지 제62항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 형성된 카본 블랙.
  77. 제76항에 있어서, 상기 예열이 없는 방법으로 제조된 동일한 형태를 갖는 카본 블랙에 비하여 적어도 10% 더 적은 PAH의 PAH 양을 갖는 카본 블랙.
  78. 제76항에 있어서, 상기 예열이 없는 방법으로 제조된 동일한 형태를 갖는 카본 블랙에 비하여 적어도 10% 더 적은 총 PAH 양을 기준으로 높은 MW PAH 양의 백분율을 갖는 카본 블랙.
  79. 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 내로 도입하는 단계;
    1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 하나 이상의 히터에 공급하는 단계;
    상기 하나 이상의 히터 내에 있는 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료를 300℃를 초과하는 제2 온도로 예열하여 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 제공하는 단계이며, 여기서 (a) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터에서 적어도 0.2 m/sec의 속도를 가지며, 상기 속도는 60℃, 1 atm에서 측정된 공급원료 밀도 및 상기 하나 이상의 히터에 존재하는 공급원료 라인의 최소 단면적을 기준으로 계산되고, (b) 상기 1종 이상의 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 히터 내에서 120분 미만의 제1 공급원료 체류 시간을 갖는 것인 단계;
    상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 공급원료 도입 지점에 공급하는 단계이며, 여기서 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료는 상기 하나 이상의 히터를 빠져나와서 상기 카본 블랙 반응기에 대한 도입 지점 직전까지 120분 미만의 제2 공급원료 체류 시간을 가지며; 상기 제1 공급원료 체류 시간 및 상기 제2 공급원료 체류 시간은 합하여 120분 이하이고, 상기 예열은 상기 하나 이상의 히터에서 또는 상기 카본 블랙 반응기에 대한 상기 공급 이전에 증기 막의 형성을 방지하는 충분한 압력에서 이루어지는 것인 단계;
    상기 카본 블랙 반응기에 대한 하나 이상의 도입 지점을 통해 적어도 상기 예열된 카본 블랙-생성 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여, 상기 카본 블랙 반응기에서 그 내부에 카본 블랙이 형성되는 반응 스트림을 형성하는 단계; 및
    반응 스트림에서 상기 카본 블랙을 회수하는 단계
    를 포함하는 카본 블랙의 제조 방법.
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