KR20190078848A

KR20190078848A - 카본 블랙 제조 장치

Info

Publication number: KR20190078848A
Application number: KR1020170180572A
Authority: KR
Inventors: 손수진; 탁현오; 표상희
Original assignee: 오씨아이 주식회사
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-07-05
Also published as: CN109971217A; CN109971217B

Abstract

카본 블랙 제조 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 블랙 제조 장치는, 공기 공급부 및 연료 공급부를 갖는 적어도 하나의 연소통; 상기 연소통을 통해 투입된 고온 연소 가스가 유입되는 반응부; 상기 반응부의 일 면에 마련되어 공급 원료가 유입 가능한 노즐 삽입구; 상기 노즐 삽입구가 마련된 면에 대향하는 방향으로 상기 반응부에서 연장되어 형성된 토출부; 상기 토출부에서 연장되어 형성되되 상기 토출부 보다 직경이 작게 마련된 경부; 및 상기 경부에서 연장되어 형성되되 상기 경부 보다 직경이 크게 마련된 케이싱;을 포함할 수 있다.

Description

카본 블랙 제조 장치{A CARBON BLACK MANUFACTURING APPARATUS}

본 발명은 카본 블랙 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생산성 및 수율이 향상된 카본 블랙 제조 장치에 관한 것이다.

카본 블랙은 흑색의 미세한 탄소분말인데 이른바 그을음에 상당하는 것으로 탄소입자의 크기는 1∼500nm이며 흑연과 비슷하다. 공업적으로는 천연가스 ·타르 등을 불완전연소 시켜 생긴 그을음을 모으거나, 그것들을 열분해 하여 제조하고 있다. 현재 소비량의 85%가 고무용이고, 11% 정도가 인쇄잉크를 비롯하여 흑색안료(黑色顔料)로 사용된다.

공업적 제조법은 예를 들어, 퍼니스(furnace)법이 알려져 있다. 퍼니스법에서, 분해 원료는 적당량의 공기와 함께 연소로에 넣어 불완전 연소 또는 열분해에 의해 카본 블랙이 생성된다. 퍼니스 법에 의해 제조되는 카본 블랙은 천연가스 및 가스상 고급 탄화수소의 연소로 생성된 퍼니스 블랙, 오일의 연소로 생성된 램프 블랙, 천연 가스의 열분해로 생성된 서멀 블랙, 아세틸렌의 열분해로 생성된 아세틸렌 블랙, 코크스로 가스, 나프탈렌 등의 연소로 생성된 독일 퍼니스 블랙 등이 있다.

한편, 카본 블랙은 그 거대한 표면적 및 특이한 표면에 의해 많은 용도를 갖고 있고, 그 특성은 제법 및 제조 원료에 의해 좌우된다. 현재 카본 블랙 소비량의 약 85%는 고무용 블랙, 약 11%는 인쇄 잉크용 등의 용도로 제공되고 있다.

고무용 블랙은 고무에 대한 증강성이 우수한 것으로, 고무 제품에 내유성, 내열성, 전기 전도성 등의 특수한 성질을 부여한 것이다. 고무용 블랙은 탄소 입자가 작고 사슬상 결합이 적은 채널 블랙이 증강용으로 적합하고 압착 또는 입자상화 하여 취급 및 사용에 편리한 것으로 알려져 있다.

컬러 블랙은 인쇄 잉크, 도료, 카본지, 타이프 리본, 플라스틱 등에 이용되는 것으로 알려져 있다. 컬러 블랙은 농도가 크고 분산이 용이하며, 흡유량이 적당하고, 일반적으로 고무용 블랙에 비해 입자가 작다.

전지 블랙은 건전지에 흑연과 혼합해서 사용되고, 전기 저항이 작고 염화암모늄의 흡착력이 큰 것이 적합한 것으로 알려져 있다.

한편, 퍼니스법에 의해 카본 블랙을 제조하는 경우, 1093℃(2000℉) 이상, 예를 들어, 1648℃(3000℉) 온도의 반응실에서 탄화수소 공급 원료의 균열이나 열분해를 일으키게 되는데, 종래의 카본 블랙 제조 장치에 의할 때, 노즐 내부 및 반응로에서 콕킹(coking)이 발생하여, 카본 블랙 생성의 효율이 저하되는 문제가 있었다.

그러나, 종래에는 고온으로 가동되는 카본 블랙 제조 장치 내에서 진행되는 유체의 흐름 및 이를 방해하는 요소에 대해 이해하기가 어려웠다. 따라서, 종래에는 카본 블랙 장치 내에서 이루어지는 공급 원료의 유체역학적 작용에 대한 이해가 없이 단순히 카본 블랙 제조 장치에 변화를 주는 시도를 할 수 밖에 없었고, 이 경우 잠시 효과가 보이더라도 변화를 주지 않은 다른 부분에서 유체 흐름에 문제를 일으켜 곧 카본 블랙 생성의 수율이 곧 낮아지는 문제가 발생하였다.

예를 들어, 종래에는 콕킹이 발생하거나 그릿(grit) 품질이 저하되는 결과는 확인할 수 있었으나, 그 원인에 대해 정확하게 알기가 어려웠고, 콕킹 발생 또는 그릿 품질의 저하 문제의 해결을 위한 근본적인 해결책을 제시하기 어려웠다.

따라서, 카본 블랙 제조 장치 내에서 유체, 즉, 공급 원료의 흐름에 대한 이해를 바탕으로, 공급 원료의 흐름을 향상시켜 카본 블랙 생성의 수율을 향상시킬 수 있는 카본 블랙 제조 장치의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공급 원료의 흐름을 개선하여 콕킹 발생을 방지하고 그릿 품질을 개선할 수 있는 카본 블랙 제조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 공기 공급부 및 연료 공급부를 갖는 적어도 하나의 연소통; 상기 연소통을 통해 투입된 고온 연소 가스가 유입되는 반응부; 상기 반응부의 일 면에 마련되어 공급 원료가 유입 가능한 노즐 삽입구; 상기 노즐 삽입구를 통해 상기 반응부 내부에 삽입되는 노즐팁; 상기 노즐 삽입구가 마련된 면에 대향하는 방향으로 상기 노즐팁으로부터 이격되며, 상기 반응부에서 연장된 토출부; 상기 토출부에서 연장되어 형성되되 상기 토출부 보다 직경이 작은 경부; 및 상기 경부에서 연장되되 상기 경부 보다 직경이 큰 케이싱;을 포함하는, 카본 블랙 제조 장치를 제공한다.

본 발명은 또한, 노즐의 선단에 장착되어 공급 원류를 분무하는 노즐 팁에 있어서, 공급 원료가 유입되는 유입부; 상기 유입부로 유입된 공급 원료가 충돌하는 충돌판; 및 공급 원료가 외부로 분사되는 분출구;를 포함하고, 상기 충돌판은 원통형상을 가지고, 상기 충돌판의 외경은 상기 노즐의 노즐팁 결합부의 내경보다 큰, 노즐팁을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 콕킹(coking) 발생을 저감시켜 카본 블랙 생성의 수율을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 그릿(grit) 품질을 개선하여 추가적인 공급 원료 투입이 가능함으로써 단위시간 당 공급 원료 주입량을 증가시킬 수 있게 되어 카본 블랙의 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 블랙 제조 장치를 사시도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 카본 블랙 제조 장치를 측면도로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 카본 블랙 제조 장치를 측면도로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐팁을 사시도로 나타낸 것이다.
도 6은 도 5에서 A-A' 선을 따라 취한 노즐팁의 절단면도를 나타낸 것이다.
도 7은 도 5에서 A-A' 선을 따라 취한 또 다른 일 실시예에 따른 노즐팁의 절단면도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐팁이 노즐에 결합된 상태의 절단면도를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 CFD 시뮬레이션 해석 결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명이 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 내용을 더 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 명세서에서 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 '위' 또는 '아래'에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 본 명세서에서, '상부' 또는 '하부' 라는 용어는 관찰자의 시점에서 설정된 상대적인 개념으로, 관찰자의 시점이 달라지면, '상부' 가 '하부'를 의미할 수도 있고, '하부'가 '상부'를 의미할 수도 있다.

복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다. 또한, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명에서 지칭하는 용어 “공급 원료”는 탄화수소를 포함하여 카본 블랙을 직접 형성시키는 원료를 지칭할 수 있고, 또는 이에 더하여 고온의 스팀이 더해진 상태를 지칭할 수도 있다.

또한 본 발명에서 지칭하는 용어 “노즐”은 카본 블랙 장치의 반응부에 공급 원료를 분무시키는 기능을 하는 것으로, 인젝터 및 이젝터를 포함하고, 노즐팁이 체결 가능한 노즐팁 결합부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예는, 공기 공급부 및 연료 공급부를 갖는 적어도 하나의 연소통; 연소통을 통해 투입된 고온 연소 가스가 유입되는 반응부; 반응부의 일 면에 마련되어 공급 원료가 유입 가능한 노즐 삽입구; 노즐 삽입구를 통해 반응부 내부에 삽입되는 노즐팁; 노즐 삽입구가 마련된 면에 대향하는 방향으로 노즐팁으로부터 이격되며, 반응부에서 연장된 토출부; 토출부에서 연장되어 형성되되 토출부 보다 직경이 작은 경부; 및 경부에서 연장되되 경부 보다 직경이 큰 케이싱;을 포함하는, 카본 블랙 제조 장치를 제공한다.

이때, 반응부와 토출부는 단차질 수 있다.

일 예로, 반응부는 경사부를 가지고, 토출부는 경사부로부터 연장될 수 있다.

이때, 경사부는 토출부의 연장선으로부터 형성된 기울기 β 가 0° 초과 30° 이하인 구간을 포함할 수 있다.

일 예로, 노즐팁은 경사부로부터 노즐 삽입구측으로 떨어져 배치될 수 있다.

일 예로, 노즐팁에 체결되어 공급 원료를 공급하는 노즐을 더 포함하되, 노즐은, 공급 원료를 통과시키는 인젝터 배관을 갖는 인젝터; 인젝터 배관을 통과한 공급 원료를 외부로 분사시키기 위해 인젝터의 선단에 마련되고, 노즐팁이 결합 가능한 노즐팁 결합부; 및 인젝터의 후단에 마련되고, 공급원료 공급부가 마련된 이젝터;를 포함할 수 있다.

일 예로, 노즐팁은, 공급 원료가 유입되는 유입부; 유입부로 유입된 공급 원료가 충돌하는 충돌판; 및 공급 원료가 외부로 분사되는 분출구; 를 포함할 수 있다.

이때, 충돌판은 노즐팁의 중심축에 마련되며 원통형 형상을 갖고, 분출구는 충돌판의 둘레에 마련될 수 있다.

일 예로, 분출구는 노즐팁의 중심축으로부터 바깥측으로 형성된 기울기를 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예는, 노즐의 선단에 장착되어 공급 원류를 분무하는 노즐 팁에 있어서, 공급 원료가 유입되는 유입부; 유입부로 유입된 공급 원료가 충돌하는 충돌판; 및 공급 원료가 외부로 분사되는 분출구;를 포함하고, 충돌판은 원통형상을 가지고, 충돌판의 외경은 노즐의 노즐팁 결합부의 내경보다 큰, 노즐팁을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

카본 블랙 제조 장치(10)

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 블랙 제조 장치를 사시도로 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 카본 블랙 제조 장치(10)는 연소통(11, 12), 반응부(14), 노즐 삽입구(13), 토출부(15), 경부(16), 및 케이싱(17)을 포함한다.

연소통(11, 12)은 카본 블랙 제조 장치(10)에 고온의 연소 가스를 공급하는 것으로, 공기 공급부(11b, 12b) 및 연료 공급부(11a, 12a)가 마련된다. 연소통(11, 12)은 적어도 하나가 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 연소통(11a) 및 제2 연소통(12a)이 반응부(14)에서 상호 대향하는 위치에 마련될 수 있다. 예를 들어, 연소통(11, 12)은 상호 대향하는 위치에 마련되되, 반응부(14)에 부착된 높이가 상이하여 반응부(14) 내에서 고온 연소 가스의 와류를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 연소통(11, 12) 내부 온도는 1000℃ 이상, 예를 들어, 1000℃ 내지 2000℃ 일 수 있다. 예를 들어, 상기 연료는 천연 가스, 연료 오일, 기화 또는 액화 탄화수소 등을 포함할 수 있다.

반응부(14)는 연소통(11, 12)을 통해 투입된 고온 연소 가스가 유입되고, 후술하는 노즐을 통해 공급 원료(feedstock)가 내부로 분무될 수 있다. 반응부(14) 내부 온도는 1000℃ 이상, 예를 들어, 1000℃ 내지 2000℃ 일 수 있다. 연소통(11, 12)에서 반응부(14)로 공급된 고온 연소 가스가 반응부(14) 내에서 선회 흐름을 형성하게 되며, 상기 고온 연소 가스의 선회 흐름 속에서 상기 공급 원료로부터 카본 블랙이 생성될 수 있다.

노즐 삽입구(13)는 반응부(14)의 일 면에 마련되어 공급 원료를 반응부(14)로 분무시키는 상기 노즐의 적어도 일부가 삽입될 수 있고, 형태는 삽입되는 상기 노즐의 형태에 따라 상이할 수 있다. 노즐 삽입구(13)에 노즐의 적어도 일부, 예를 들어, 노즐팁(120)이 체결될 수 있다.

토출부(15)는 노즐 삽입구(13)가 삽입된 면에 대향하는 방향으로 반응부(14)에서 연장되어 형성될 수 있고, 반응부(14)에서 생성된 카본 블랙이 토출될 수 있다. 토출부(15)는 단면의 면적이 반응부(14) 단면의 면적 보다 작은 부분을 포함할 수 있다. 토출부(15)는 카본 즐랙 생성의 수율을 향상시키기 위해 마련된다.

예를 들어, 토출부(15)는 반응부(14)로부터 단차(14a)가 형성될 수 있다. 즉, 반응부(14)에서 토출되는 카본 블랙이 반응부(14)로부터 단차(14a)가 형성된 토출부(15)를 통과하면서 속도가 증가함으로써, 카본 블랙 생성의 수율을 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 토출부(15)는 반응부(14)에 마련된 경사부(14b)로부터 연장되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 경사부(14b)는 직경이 점차 작아지는 테이퍼(taper) 형상을 포함할 수 있고, 또는 기울기가 상이한 복수 개의 경사부(14b)를 포함할 수도 있다. 즉, 반응부(14)에 마련된 경사부(14b)에 의해, 반응부(14)에서 토출부(15)로 토출되는 카본 블랙의 토출 속도가 증가함으로써, 카본 블랙 생성의 수율을 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 반응부(14)에 마련된 경사부(14b)는 토출부(15)의 연장선으로부터 형성된 기울기 β 가 0° 초과 90° 이하, 예를 들어, 0° 초과 45°, 일 예로, 0° 초과 30°인 구간을 포함할 수 있다. 상기 기울기 β 가 0° 또는 90° 초과일 경우 콕킹 발생 비율이 높아지거나 그릿 품질이 저하되어 카본 블랙 생성의 수율이 저하될 수 있고, 0° 이하인 경우 토출부(15) 단면의 면적이 반응부(14) 단면의 면적 보다 크게 되어 유체의 흐름이 원활하지 못하여 카본 블랙 생성의 수율이 저하될 수 있다.

예를 들어, 토출부(15)의 연장선으로부터 형성된 기울기 β가 0° 초과 45°, 일 예로, 0° 초과 30°인 경우, 안정적인 카본 블랙의 흐름이 가능하여 생성된 카본 블랙의 품질이 향상될 수 있고, 카본 블랙 반응기 내 압력 차이가 커지는 것을 방지하여 안정적인 카본 블랙 생성 공정의 운용이 가능해 짐으로써, 카본 블랙 생성의 수율이 향상될 수 있다.

경부(throat zone)(16)는 토출부(15)와 케이싱(17)의 사이에 마련될 수 있다. 경부(16)는 단면의 면적이 토출부(15) 단면의 면적 보다 작은 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 경부(16)는 토출부(15)에 마련된 단차(도면에 미도시)로부터 연장되어 형성될 수 있고, 상기 단차는 반응부(14)에 마련된 단차(14a)를 들어 설명한 바를 적용할 수 있다. 예를 들어, 토출부는 반응부에 마련된 경사부(도면에 미도시)로부터 연장되어 형성될 수 있고, 상기 경사부는 반응부(14)에 마련된 경사부(14b)를 들어 설명한 바를 적용할 수 있다.

케이싱(17)은 경부(16)에서 연장되어 형성되되 경부(16) 보다 직경이 크게 마련될 수 있다. 케이싱(17)은 경부(16)를 통과한 카본 블랙을 포집 부재(도면에 미도시)로 배출시킬 수 있고, 이때, 상기 포집 부재에는 냉각 수단이 마련될 수 있다. 또는 케이싱(17) 내에 별도의 냉각 수단이 마련되어 경부를 통과한 카본 블랙을 케이싱(17)에서 포집할 수도 있다.

카본 블랙 제조용 노즐

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐을 나타낸 것이다.

상기 노즐은 공급 원료를 카본 블랙 제조 장치(10)에 분무하는 것으로, 도 4를 참조하면, 상기 노즐은 인젝터(110), 노즐팁 결합부(115), 및 이젝터(111)를 포함한다.

인젝터(injector)(110)는 유체에 직접 압력을 가하여 후술하는 노즐팁(120)을 통과시키는 분무 미립화 장치로, 공급 원료를 통과시키는 인젝터 배관(114)을 가질 수 있다. 인젝터 배관(114)은 후술하는 이젝터(ejector)(111)를 통해 공급되는 공급 원료가 노즐팁(120)을 통해 외부로 분사되기 전 까지 통과되는 곳으로, 예를 들어, 2~5m의 직선 배관일 수 있다. 이때, 미립화(atomizing) 된 상기 공급 원료가 일정 크기의 액적(droplet) 상태로 인젝터 배관(114)을 통과할 수 있다.

이젝터(111)는 유체가 고속으로 좁은 유로를 통과할 때 압력이 낮아지는 것을 이용하여 액체를 액적으로 만드는 분무 미립화 장치로, 인젝터(110)의 후단에 마련될 수 있다. 이젝터(111)는 예를 들어, 공기, 스팀 이젝터(steam ejector)가 적용될 수 있다. 예를 들어, 이젝터(111)는 상기 스팀 이젝터 구조의 공급 원료 분무기(atomizer)를 통해 스팀과 공급 원료가 혼합된 상태로 인젝터로 공급할 수 있다.

예를 들어, 상기 공급 원료는 크레오소트, 캣 크래커 오일, 나프타 크래커 오일과 같은 고밀도 방향족을 갖는 액체 탄화수소가 사용될 수 있다.

노즐팁 결합부(115)는 노즐팁(120)이 결합 가능한 부분으로, 인젝터 배관(114)을 통과한 상기 공급 원료를 외부로 분사시키기 위해 인젝터(110)의 선단에 마련될 수 있다. 예를 들어, 노즐팁 결합부(115) 및 노즐팁(120)은 수나사 및 암나사 형태를 가질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐팁을 사시도로 나타낸 것이다.

노즐팁(120)은 노즐의 선단에 장착 가능한 것으로, 이젝터(111)로부터 인젝터(110)에 유입된 공급 원료를 카본 블랙 제조 장치(10)의 반응부(14)로 효율적으로 분사시키기 위해 마련된다.

노즐팁(120)은 공급 원료가 외부로 분사되는 복수의 분출구(121)를 갖는다. 이때, 복수의 분출구(121)는 공급 원료의 분출 형태에 따라 콘 타입(cone type) 및 중공 타입(hollow type)으로 구분될 수 있다. 이때, 상기 콘 타입은 원 형태의 노즐팁(120)에서 중심 부분에 분출구(121)가 마련되고, 상기 중심 부분에 마련된 분출구(121) 둘레에 복수의 분출구(121)가 마련된 형태를 지칭할 수 있다. 또한, 상기 중공 타입은 상기 콘 타입에서 상기 중심 부분에 분출구(121)가 마련되지 않고, 상기 중심 부분의 둘레 부분에만 복수의 분출구(121)가 마련된 형태를 지칭할 수 있다.

상기 콘 타입의 노즐팁은 고온, 예를 들어, 1500℃ 이상의 공급 원료가 상기 노즐팁 외부로 분사될 때, 불특정 분출구의 막힘(clogging)을 유발시켜 상기 노즐 내부에 공급 원료가 체류하는 시간을 증가시키고, 카본 블랙 제조 장치(10)에서 콕킹 발생을 유발시켜, 카본 블랙 생성 수율을 현저하게 감소시키게 된다.

도 6은 도 5에서 A-A' 선을 따라 취한 노즐팁의 절단면도를 나타낸 것이고, 도 7은 도 5에서 A-A' 선을 따라 취한 또 다른 일 실시예에 따른 노즐팁의 절단면도를, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐이 노즐팁에 결합된 상태의 절단면도를 나타낸 것이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 노즐팁(120)은 인젝터 결합부(124), 유입부(123), 충돌판(122), 및 분출구(121)를 포함한다.

인젝터 결합부(124)는 전술한 인젝터(110) 선단에 마련된 노즐팁 결합부(115)와 대응하여 결합될 수 있고, 실시 형태는 전술한 바를 적용할 수 있다.

유입부(123)는 인젝터 배관(114)을 통과한 공급 원료가 노즐팁(120)으로 유입되는 공간으로, 스팀과 공급 원료가 혼합된 상태로 유입될 수 있다.

충돌판(122)은 유입부(123)로 유입된 공급 원료가 유입된 압력에 의해 충돌하는 부분이다. 상기 공급 원료가 충돌판(122)에 충돌됨으로써, 액적 상태의 공급 원료의 크기가 감소되고, 균일한 크기의 공급 원료가 분출구를 통해 분무될 수 있다. 예를 들어, 충돌판(122)은 노즐팁(120)의 중심축에 마련될 수 있다.

일 예로, 공급 원료가 유입부(123)로 유입되는데, 유입부(123)로 유입되기 전 2~5m 의 인젝터 배관(114)을 통과하면서 액적 상태의 공급 원료의 크기가 증가하거나 크기가 불균일해지는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 유입부(123)에 유입된 공급 원료가 충돌판(122)에 충돌함으로써, 액적 상태의 공급 원료의 크기가 감소되고 균일한 크기로 형성되어, 상기 공급 원료의 열교환 면적이 증가함에 따라 분출구(121)를 통해 분출된 공급 원료의 열분해 효율이 증가하고, 콕킹 생성이 억제되어, 카본 블랙 생성의 수율을 향상시킬 수 있다. 또한 콕킹 생성이 억제됨에 따라 그릿(grit) 품질이 개선됨으로써 추가적인 공급 원료의 투입이 가능해지므로, 생산성이 향상될 수 있다.

충돌판(122)의 형태는 원기둥 형태, 직경이 점차 변하는 콘 또는 테이퍼 형태 모두 가능하지만, 상기 콘 형태 또는 테이퍼 형태를 적용하는 경우, 충돌판(122)에 고온 고압의 공급 원료가 충돌하여 충돌판(122)이 쉽게 마모됨으로써, 오히려 콕킹 생성이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌판(122)은 원기둥 형태가 적용될 수 있다.

일 예로, 도 8에 나타낸 바와 같이, 충돌판(122)은 원기둥 형태를 갖고, 충돌판(122)의 외경은 상기 노즐의 노즐팁 결합부(115)의 내경보다 클 수 있다. 따라서, 인젝터(110)를 통과하여 유입부(123)로 유입된 공급 원료(Cd)가 모두 충돌판(122)에 충돌됨으로써, 공급 원료의 열분해 효율이 증가하고 콕킹 생성이 억제되어 카본 블랙 생성의 수율을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 그릿 품질이 개선됨으로써 추가적인 공급 원료의 투입이 가능해지므로 생산성이 함께 향상될 수 있다.

분출구(121)는 노즐팁(120)의 중심축으로부터 바깥측으로 형성된 기울기를 가질 수 있다. 예를 들어, 분출구(121)에서 노즐팁(120)의 수직 단면으로부터 형성된 기울기 α가 0° 내지 15°, 일 예로, 0° 내지 10°, 일 실시예에 있어서, 0° 내지 5° 일 수 있다. 상기 α가 0° 미만인 경우, 공급 원료의 분사 면적이 현저하게 줄어들어 상기 공급 원료의 열분해 효율이 현저하게 감소함으로써 카본 블랙 생성의 수율이 감소할 수 있다. 상기 α가 15° 초과인 경우 반응부(14)에서 지나치게 분사 각도가 넓어짐에 따라 반응부(14)에 마련된 단차(14a) 내지 경사부(14b)에 상기 공급 원료가 체류하는 시간이 길어져, 콕킹 발생 빈도가 늘어나는 문제가 발생할 수 있다.

CFD ( computationalfluid dynamics) 모델링

CFD 모델은 실제 유체의 흐름을 컴퓨터로 계산함으로써 실제와 유사하고 정확한 결과를 도출할 수 있는 모델로, 본 발명은 상기 CFD 모델링을 사용하여 카본 블랙 제조 장치(10)의 형태와 노즐팁(120)에서 분사 각도(상기 기울기 α)의 최적 조건을 도출하기 위해 이를 사용하였다.

본 CFD 모델링은 카본 블랙 제조 장치(10)에서 카본 블랙 제조 장치(10) 및 노즐팁(120)의 형태를 상이하게 제어하여 각각 모델링을 수행하였다.

먼저, 카본 블랙 제조 장치(10)는 하기 제1 case 내지 제3 case로 구분하여 수행하였다.

제1 case: 본 발명의 도 2에 따라 모델링 된 카본 블랙 제조 장치

제2 case: 본 발명의 도 3에서 경사부 기울기 β가 30°로 적용되어 모델링 된 카본 블랙 제조 장치

제3 case: 본 발명의 도 3에서 경사부 기울기 β가 45°로 적용되어 모델링 된 카본 블랙 제조 장치

또한, 노즐팁(120)의 형태는 하기 제1 노즐 내지 제3 노즐로 구분하여 수행하였다.

제1 노즐: 본 발명의 도 7에서 노즐팁의 수직 단면으로부터 형성된 기울기 α 가 5° 인 노즐팁

제2 노즐: 본 발명의 도 7에서 노즐팁의 수직 단면으로부터 형성된 기울기 α 가 10° 인 노즐팁

제3 노즐: 본 발명의 도 7에서 노즐팁의 수직 단면으로부터 형성된 기울기 α 가 15° 인 노즐팁

반응부 내 back-flow 발생 확인 시뮬레이션

상기 제1 case 내지 제3 case에 따른 카본 블랙 제조 장치의 반응부에서 미증발입자 또는 그릿이 쌓이는지 여부를 확인하기 위해 back-flow 발생 여부 확인 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과에 대해 제1 case는 도 9에, 제2 case는 도 10에, 제3 case는 도 11에 각각 나타내었다.

도 9 내지 도 11에 나타낸 바와 같이, 제1 case 내지 제3 case 모두 경부 전후로 back-flow가 발생하였으나, 제2 case의 경우에 반응부에 마련된 경사부에 back-flow가 발생하지 않았다.

따라서, 제2 case의 경우 반응부에 체류하는 공급 원료가 거의 없게 되어, 콕킹 발생 빈도가 감소하고 그릿 품질이 우수해짐에 따라 카본 블랙 생산의 수율 및 생산성이 모두 향상될 것임을 확인하였다.

반응부 내 FSO 발생 면적 확인 시뮬레이션

상기 제1 case 내지 제3 case에 따른 반응부에서 카본 블랙 생성의 수율을 확인하기 위해 공급 원료가 고온의 연소 가스와 접촉하는 면적 확인 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과에 대해 제1 case는 도 12에, 제2 case는 도 13에, 제3 case는 도 14에 각각 나타내었다.

도 12 내지 도 14에 나타낸 바와 같이, 제2 case의 경우 노즐팁에서 반응부로 FSO가 분사되고 토출부까지 그 단면적이 유지된 채로 FSO가 분포되어, FSO가 고온의 연소 가스와 접촉하는 면적이 더 크고, 따라서 제2 case의 경우 카본 블랙 생성의 수율이 높게 나타날 것임을 확인하였다.

노즐팁에서 분사 각도에 따른 생성물 확인 시뮬레이션

상기 제1 노즐 내지 제3 노즐에 따른 카본 블랙 생성 결과를 확인하기 위해 Carcass 계열 생산 공정을 수행하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

분사 각도	Yield (%)	Coking (회/일)
5°	63.0	0.2
10°	62.3	0.3
15°	62.4	0.5

상기 표 1을 참조하면, 상기 기울기 α 가 5° 인 노즐팁의 경우, 카본 블랙 생성 수율이 가장 높았고, 콕킹 발생 정도가 가장 낮게 나타났음을 확인할 수 있다. 또한, 상기 기울기 α 가 10° 인 노즐팁의 경우, 콕킹 발생 정도가 낮게 나타났음을 확인할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

10: 카본 블랙 제조 장치
11: 제1 연소통
11a: 연료 공급부
11b: 공기 공급부
11c: 제1 반응 배관
12: 제2 연소통
12a: 연료 공급부
12b: 공기 공급부
12c: 제2 반응 배관
13: 노즐 삽입구
14: 반응부
14a: 단차
14b: 경사부
15: 토출부
16: 경부
17: 케이싱
110: 인젝터
111: 이젝터
111a: 공급원료 공급부
114: 인젝터 배관
115: 노즐팁 결합부
120: 노즐팁
121: 분출구
122: 충돌판
123: 유입부
124: 인젝터 결합부
Cd: 공급 원료의 흐름

Claims

공기 공급부 및 연료 공급부를 갖는 적어도 하나의 연소통;
상기 연소통을 통해 투입된 고온 연소 가스가 유입되는 반응부;
상기 반응부의 일 면에 마련되어 공급 원료가 유입 가능한 노즐 삽입구;
상기 노즐 삽입구를 통해 상기 반응부 내부에 삽입되는 노즐팁;
상기 노즐 삽입구가 마련된 면에 대향하는 방향으로 상기 노즐팁으로부터 이격되며, 상기 반응부에서 연장된 토출부;
상기 토출부에서 연장되어 형성되되 상기 토출부 보다 직경이 작은 경부; 및
상기 경부에서 연장되되 상기 경부 보다 직경이 큰 케이싱;
을 포함하는, 카본 블랙 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 반응부와 상기 토출부는 단차진, 카본 블랙 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 반응부는 경사부를 가지고, 상기 토출부는 상기 경사부로부터 연장된, 카본 블랙 제조 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 경사부는 상기 토출부의 연장선으로부터 형성된 기울기 β 가 0° 초과 30° 이하인 구간을 포함하는, 카본 블랙 제조 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 노즐팁은 상기 경사부로부터 상기 노즐 삽입구측으로 떨어져 배치된 카본 블랙 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 노즐팁에 체결되어 공급 원료를 공급하는 노즐을 더 포함하되,
상기 노즐은,
상기 공급 원료를 통과시키는 인젝터 배관을 갖는 인젝터;
상기 인젝터 배관을 통과한 상기 공급 원료를 외부로 분사시키기 위해 상기 인젝터의 선단에 마련되고, 노즐팁이 결합 가능한 노즐팁 결합부; 및
상기 인젝터의 후단에 마련되고, 공급원료 공급부가 마련된 이젝터;
를 포함하는, 카본 블랙 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 노즐팁은,
공급 원료가 유입되는 유입부;
상기 유입부로 유입된 공급 원료가 충돌하는 충돌판; 및
공급 원료가 외부로 분사되는 분출구;
를 포함하는, 카본 블랙 제조 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 충돌판은 상기 노즐팁의 중심축에 마련되며 원통형 형상을 갖고,
상기 분출구는 상기 충돌판의 둘레에 마련된, 카본 블랙 제조 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 분출구는 상기 노즐팁의 중심축으로부터 바깥측으로 형성된 기울기를 갖는, 카본 블랙 제조 장치.
노즐의 선단에 장착되어 공급 원류를 분무하는 노즐 팁에 있어서,
공급 원료가 유입되는 유입부;
상기 유입부로 유입된 공급 원료가 충돌하는 충돌판; 및
공급 원료가 외부로 분사되는 분출구;
를 포함하고,
상기 충돌판은 원통형상을 가지고,
상기 충돌판의 외경은 상기 노즐의 노즐팁 결합부의 내경보다 큰, 노즐팁.