KR20240066284A - 저-수율 공급원료로부터 카본 블랙을 생산하는 방법 및 그로부터 생성된 생성물 - Google Patents
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Abstract
저-수율 카본 블랙 공급원료로부터 카본 블랙을 생산하는 방법이 기재된다. 저-수율 공급원료는 전통적인 카본 블랙 공급원료와 조합되어 사용되어 퍼니스 공정을 통해 카본 블랙을 생산한다. 추가로, 이들 카본 블랙 공급원료로부터 생산된 카본 블랙이 기재된다. 상기 방법으로 달성되는 이점이 추가로 기재된다.
Description
본 발명은, 많은 경우에 기체상 및/또는 저-수율 공급원료를 포함할 수 있는 대안적인 카본 블랙-생성 공급원료로부터 생산되는 카본 블랙을 생산하는 방법에 관한 것이다. 추가로 본 발명은 기체상 및/또는 저-수율 카본 블랙 공급원료를 포함하는 대안적인 카본 블랙-생성 공급원료로부터 형성된 카본 블랙에 관한 것이다.
카본 블랙은 조성물에 기계적, 전기적, 및 광학적 특성을 개질시키기 위해 사용되어 왔다. 카본 블랙 및 그 외 다른 충전제는 고무, 플라스틱, 종이 또는 텍스타일 적용분야에서 사용되는 조성물의 배합 및 제조 시 안료, 충전제, 및/또는 강화제로서 활용되어 왔다. 카본 블랙 또는 그 외 다른 충전제의 특성은 이들 조성물의 다양한 성능 특징을 결정하는데 있어서 중요한 인자이다. 엘라스토머성 조성물의 중요한 용도는 타이어의 제조와 관련이 있으며, 완성된 생성물 또는 그의 구성요소에 특정한 특성을 부여하기 위해 종종 추가의 성분이 첨가된다. 카본 블랙이 엘라스토머성 조성물 및 그 외 다른 유형의 조성물에 기능적 특성, 전기 전도성, 레올로지, 표면 특성, 점도, 외관 및 그 외 다른 특성을 개질시키기 위해 사용되어 왔다.
카본 블랙의 산업적 생산을 위한 통상적이면서 가장 흔한 공정은 퍼니스 공정이다. 이러한 공정에서는, 제1 액체 탄소-보유 공급원료, 예컨대 데칸트 오일이 연료-희박 고온 연소된 또는 연소성인 기체 스트림에 주입된다. 공급원료의 일부가 열분해되어 카본 블랙 및 부산물 (대부분 수소)을 생성하며; 나머지는 산화되어 CO, CO2, 및 H2O를 생성한다. 통상적인 또는 전통적인 공급원료는 데칸트 오일, 슬러리 오일, 코커 오일, 콜타르 유도체, 또는 에틸렌 크래커 공정으로부터의 중질액 잔사이다. 이들 카본 블랙 공급원료는 동시에 중질이며 (> 1.02의 비중), 최대 1.23의 원자상 H:C 비를 갖고, 방향족 물질이 풍부하며 (≥ 100의 광산국 상관 지수 (BMCI)), 상온 및 상압 (예를 들어, 25℃ 및 1 atm)에서 액체이다. 이들은 모두 일반적으로 화석 연료로부터 유래된다.
퍼니스 블랙 공정은, 둘 다 공급원료로서 천연 가스를 사용하는 채널 블랙 공정 및 열적 블랙 공정과 상이하다. 채널 블랙 공정은 수천 개의 작은 천연 가스 확산 화염을 활용하여 소량의 카본 블랙을 생산한다. 카본 블랙은 수냉식 금속 채널 또는 드럼에 수집된다. 채널 블랙 공정은 대략 0.05 kg C/kg 공급물의 극도로 낮은 수율을 가져, 20세기 중반에 폐기되기에 이르렀다. 열적 블랙 공정은 천연 가스 공급물을 미리 가열된 브릭 상으로 통과시킴으로써 특정한 종류의 매우 낮은 구조화의 카본 블랙을 생성한다. 천연 가스는 고온의 브릭 상에서 카본 블랙으로 흡열 열분해되는데; 하지만 이들 브릭이 급속히 냉각되므로 부산물 수소 및 천연 가스의 연소에 의해 주기적으로 재가열되어야 한다. 열적 블랙 공정은 단지 매우 낮은 구조화 및 상대적으로 낮은 수율로 니치 카본 블랙 등급을 생성하며; 이는 타이어, 플라스틱 또는 산업용 고무 배합물의 강화를 위해 필요한 카본 블랙 표면적 및 구조를 대부분 생성할 수 없다.
기체상, 재생가능한, 재활용된, 및/또는 지속가능한 저-수율 공급원료를 기존 카본 블랙 퍼니스 공정에 사용하는 것은 경제적으로 유용할 뿐만 아니라, 환경적으로도 유익할 것이다. 이들 공급원료가 반드시 화석-연료-기반일 필요는 없을 것이다. 이들의 예는 에탄 크래킹으로부터, 또는 바이오-에탄올로부터 생성될 수 있는 에틸렌을 포함한다. 또 다른 예는 화석-기반일 수 있거나 또는 쓰레기 매립지 또는 유기 물질의 부식으로부터 생성될 수 있는 천연 가스이다. 추가의 예는 식물성 오일, 재활용된 타이어, 플라스틱, 도시 폐기물, 또는 바이오매스의 열분해로부터 유래된 오일, 또는 쓰레기 매립지로부터 생성된 천연 가스를 포함한다.
유감스럽게도, 이들 저-수율 카본 블랙 공급원료는 전통적으로 사용되는 퍼니스 카본 블랙 공급원료와 비교하여, 퍼니스 공정에서 일반적으로 불량한 수율, 낮은 표면적, 및/또는 낮은 구조화를 제공한다. 퍼니스 공정에서의 이들 공급원료의 성능은 매우 불량할 수 있어, 이들을 사용하여 대부분의 ASTM 등급에 대해 요구되는 구조를 생성하는 것이 불가능할 수 있다. 공급원료에 대해 주어진 표면적에서 최대로 달성가능한 구조화가 공급원료의 등급 능력을 용이하게 정의할 수 있게 한다.
따라서, 다량의 저-수율 카본 블랙-형성 공급원료 (예를 들어, 여기서 적어도 사용되는 전체 공급원료의 대부분이 저-수율 카본 블랙 공급원료임)를 기존 카본 블랙 퍼니스 공정에 사용할 수 있으며 (사용할 수 있게 하며), 그럼에도 불구하고 전통적인 퍼니스 카본 블랙 공급원료로부터 형성된 카본 블랙과 비슷한 카본 블랙을 생산하는 (예를 들어, 허용가능한 수율로 및/또는 높은 표면적 및/또는 높은 구조화를 갖는 카본 블랙을 생산하는) 해결책을 제공하는 것이 관련 산업에서 요구되고 있다. 이들 저-수율 공급원료를 사용하기 위한 신규 공정을 개발하고, 설계하고, 구축하는 대신에, 기존 퍼니스 공정을 활용하여 이들을 사용하면 대규모 자본 및 개발 원천을 절감할 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐 언급된 모든 특허 및 공개는 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
본 발명의 한 특색은 저-수율 카본 블랙 공급원료(들)를 포함하는 공급원료로부터 카본 블랙을 제조하거나 또는 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 특색은 기체상 카본 블랙 공급원료를 포함하는 공급원료로부터 카본 블랙을 제조하거나 또는 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 특색은 저-수율 카본 블랙 공급원료를 포함하는 공급원료로부터 생성된 카본 블랙을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 특색은 기체상 카본 블랙 공급원료를 포함하는 공급원료로부터 생성된 카본 블랙을 제공하는 것이다.
추가의 특색은 적어도 공급원료의 총량의 대부분 또는 그 이상이 저-수율 카본 블랙 공급원료인 카본 블랙 공급원료를 활용하는 방법을 제공하는 것이다.
추가의 특색은 생성된 카본 블랙이 허용가능한 (예를 들어, 우수한) 수율, 허용가능한 (예를 들어, 높은) 표면적, 및/또는 허용가능한 구조화 (예를 들어, 높은 구조화)를 갖도록 하는, 저-수율 카본 블랙 공급원료로부터 카본 블랙을 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
이들 및 다른 이점을 달성하기 위해, 그리고 본 발명의 목적에 따라, 본원에서 구체화되고 광범위하게 기재된 바와 같은 본 발명은, 부분적으로, 카본 블랙을 생산하는 방법에 관한 것이다. 방법은 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 (예를 들어, 퍼니스 카본 블랙 반응기)로 도입하는 단계 및 적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여 반응 스트림을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 하류에서 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료를 존재하는 반응 스트림에 조합하여 카본 블랙을 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 반응 스트림에서 카본 블랙을 회수하는 것을 추가로 포함한다. 방법에서, 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료는 바람직하게는 전체 공급원료의 대부분 또는 적어도 60 wt.%를 구성한다 (총 중량을 기준으로 함). 제1 카본 블랙 공급원료는 바람직하게는 상온 및 상압 (예를 들어, 25℃ 및 1 atm)에서 액체이다.
추가로, 본 발명은, 부분적으로, 적어도 카본 블랙을 형성하는데 사용되는 공급원료의 대부분이 저-수율 카본 블랙 공급원료인 카본 블랙(들)에 관한 것이다.
본 발명은 추가로 생성물 및/또는 물품, 예컨대 비제한적으로, 본 발명의 카본 블랙 중 어느 하나 이상으로부터 형성된 엘라스토머 복합재에 관한 것이다.
상기 일반적 설명 및 하기 상세한 설명은 둘 다 단지 예시적이고 설명적이며, 청구된 바와 같은 본 발명에 대한 추가의 설명을 제공하도록 의도된 것임이 이해되어야 한다.
본 출원에 포함되며 그의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 다양한 특색을 예시하며, 본 명세서와 함께, 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제공된다.
도 1은 전통적인 카본 블랙 공급원료의 원자상 H:C (수소 원자 대 탄소 원자) 비를, 본 발명에서 부분적으로 사용되는 저-수율 공급원료와 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 2는 전통적인 카본 블랙 공급원료의 비중을, 본 발명에서 부분적으로 사용되는 저-수율 공급원료와 비교하여 제시하는 그래프이다.
도 3은 전통적인 공급원료의 BMCI 값을, 본 발명에서 부분적으로 사용되는 저-수율 공급원료와 비교하여 제시하는 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 카본 블랙을 제조하기에 적합한 반응기의 한 예의 횡단면도이다.
도 4b는 본 발명의 카본 블랙을 제조하기에 적합한 반응기의 또 다른 예의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 카본 블랙을 제조하기에 적합한 반응기의 추가의 예의 횡단면도이다.
도 6a 및 6b는 일부 비교 실시예에서 사용된 인젝터의 개략적인 측면도를 제시한다.
도 7 및 8은 본 발명의 일부 실시예 및 비교 실시예의 무차원 수율 및 STSA (m2/g)를 플롯팅한 그래프이다. 숫자 표시는 표 6-9에서의 실시예 번호를 나타낸다.
도 9 및 10은 본 발명의 일부 실시예 및 비교 실시예의 OAN 및 STSA (m2/g)를 플롯팅한 그래프이다. 기본 숫자 표시는 표 6-9에서의 실시예 번호를 나타낸다. 백색 다이아몬드 포인트 상의 "N" 숫자 표시는 카본 블랙의 지시된 ASTM 등급에 대한 데이터를 지시하며; 예를 들어, 포인트 "N330"은 N330 등급 카본 블랙에 대해 전형적인 표면적 및 구조화를 지시한다.
도 11, 12, 및 13은 본 발명의 일부 실시예 및 비교 실시예의 OAN 및 STSA (m2/g)를 플롯팅한 그래프이다. 기본 숫자 표시는 표 10, 13, 및 15에서의 실시예 번호를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시예 및 비교 실시예의 주어진 표면적에서 달성가능한 수율을 플롯팅한 그래프이다. 기본 숫자 표시는 표 15에서의 실시예 번호를 나타낸다.
도 2는 전통적인 카본 블랙 공급원료의 비중을, 본 발명에서 부분적으로 사용되는 저-수율 공급원료와 비교하여 제시하는 그래프이다.
도 3은 전통적인 공급원료의 BMCI 값을, 본 발명에서 부분적으로 사용되는 저-수율 공급원료와 비교하여 제시하는 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 카본 블랙을 제조하기에 적합한 반응기의 한 예의 횡단면도이다.
도 4b는 본 발명의 카본 블랙을 제조하기에 적합한 반응기의 또 다른 예의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 카본 블랙을 제조하기에 적합한 반응기의 추가의 예의 횡단면도이다.
도 6a 및 6b는 일부 비교 실시예에서 사용된 인젝터의 개략적인 측면도를 제시한다.
도 7 및 8은 본 발명의 일부 실시예 및 비교 실시예의 무차원 수율 및 STSA (m2/g)를 플롯팅한 그래프이다. 숫자 표시는 표 6-9에서의 실시예 번호를 나타낸다.
도 9 및 10은 본 발명의 일부 실시예 및 비교 실시예의 OAN 및 STSA (m2/g)를 플롯팅한 그래프이다. 기본 숫자 표시는 표 6-9에서의 실시예 번호를 나타낸다. 백색 다이아몬드 포인트 상의 "N" 숫자 표시는 카본 블랙의 지시된 ASTM 등급에 대한 데이터를 지시하며; 예를 들어, 포인트 "N330"은 N330 등급 카본 블랙에 대해 전형적인 표면적 및 구조화를 지시한다.
도 11, 12, 및 13은 본 발명의 일부 실시예 및 비교 실시예의 OAN 및 STSA (m2/g)를 플롯팅한 그래프이다. 기본 숫자 표시는 표 10, 13, 및 15에서의 실시예 번호를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시예 및 비교 실시예의 주어진 표면적에서 달성가능한 수율을 플롯팅한 그래프이다. 기본 숫자 표시는 표 15에서의 실시예 번호를 나타낸다.
본 발명은 본원에 정의되고 기재된 바와 같은 저-수율 카본 블랙 공급원료를 활용하는 카본 블랙을 생산하는 방법에 관한 것이다. 추가로 본 발명은 이들 방법 중 하나 이상으로부터 생산된 카본 블랙에 관한 것이다. 본 발명의 방법을 사용하면, 적어도 활용되는 전체 카본 블랙 공급원료의 대부분이 1종 이상의 저-수율 카본 블랙 공급원료일 수 있다. 본 발명의 방법을 사용하면, 다량의 저-수율 카본 블랙 공급원료를 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 생산된 카본 블랙의 품질과 관련하여 손실이 없다. 따라서, 본 발명의 방법은 환경적인 이유 및/또는 그 외 다른 이유로 사용하는 것이 보다 바람직한 카본 블랙 공급원료를 활용하며, 그럼에도 불구하고 퍼니스 카본 블랙 공정에 사용되는 전통적인 카본 블랙 공급원료를 사용하여 생산된 카본 블랙과 비슷한 카본 블랙을 생산한다.
본 발명의 카본 블랙을 생산하는 방법은 가열된 기체 스트림을 카본 블랙 반응기 (예를 들어, 퍼니스 카본 블랙 반응기)로 도입하는 단계; 적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료를 가열된 기체 스트림과 조합하여 반응 스트림을 형성하는 단계; 하류에서 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료를 존재하는 반응 스트림에 조합하여 카본 블랙을 형성하는 단계; 및 반응 스트림에서 카본 블랙을 회수하는 단계를 포함하거나, 그로 본질적으로 이루어지거나, 그로 이루어지거나, 또는 그를 수반한다. 방법에서, 바람직하게는, 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료가 전체 공급원료의 대부분을 구성하고, 보다 바람직하게는, 전체 공급원료의 적어도 60 wt.%를 구성한다.
본 발명의 목적상, "저-수율 카본 블랙 공급원료"는 하기 특성 중 적어도 하나를 갖는 카본 블랙 공급원료이다:
1) < 100의 광산국 상관 지수 (BMCI) (이는 액체 공급물에 대해 낮은 방향족 물질 함량의 지표를 제공함) (예를 들어, 99 미만, 95 미만, 90 미만, 85 미만, 80 미만, 75 미만, 70 미만의 BMCI, 예컨대 50 내지 99, 또는 60 내지 99, 또는 70 내지 99, 또는 50 내지 95, 또는 50 내지 90의 BMCI), 및/또는
2) 상온 (예를 들어, 25℃) 및 상압 (1 atm)에서 기체인 탄소-함유 재료, 및/또는
3) 1.23 초과의 원자상 H:C 비 (예를 들어, 1.24 이상, 1.25 이상, 1.26 이상, 1.27 이상, 1.28 이상, 1.29 이상, 1.30 이상, 1.35 이상, 1.40 이상, 1.45 이상, 1.50 이상, 예컨대 1.235 내지 1.5, 또는 1.235 내지 1.45, 또는 1.235 내지 1.4, 또는 1.235 내지 1.35, 또는 1.235 내지 1.3, 또는 1.235 내지 1.29, 또는 1.235 내지 1.28, 또는 1.235 내지 1.27, 또는 1.24 내지 1.5, 또는 1.25 내지 1.5, 또는 1.26 내지 1.5, 또는 1.27 내지 1.5, 또는 1.28 내지 1.5, 또는 1.29 내지 1.5, 또는 1.3 내지 1.5의 H:C 비), 및/또는
4) 최대 1.02 (예를 들어, 최대 1.015, 최대 1.01, 최대 1.005, 최대 1.01, 최대 1.00, 최대 0.99, 최대 0.95, 예컨대 0.80 내지 1.019, 또는 0.80 내지 1.015, 또는 0.80 내지 1.01, 또는 0.80 내지 1.005, 또는 0.80 내지 1.00, 또는 0.80 내지 0.95, 또는 0.80 내지 0.9, 또는 0.80 내지 1.015, 또는 0.90 내지 1.01, 또는 0.90 내지 1.005, 또는 1.005 내지 1.015)의 비중.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 단지 BMCI 특성만을 가질 수 있다. 저-수율 카본 블랙 공급원료는 단지 원자상 H:C 특성만을 가질 수 있다. 저-수율 카본 블랙 공급원료는 단지 비중 특성만을 가질 수 있다. 저-수율 카본 블랙 공급원료는 단지 기체 특성만을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 BMCI 특성 및 원자상 H:C 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 BMCI 특성 및 비중 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 BMCI 특성 및 기체 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 BMCI 특성, 원자상 H:C 특성, 및 비중 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 BMCI 특성, 원자상 H:C 특성, 및 기체 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 BMCI 특성, 원자상 H:C 특성, 비중 특성, 및 기체 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 원자상 H:C 특성 및 비중 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 원자상 H:C 특성 및 기체 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 원자상 H:C 특성, 비중 특성, 및 기체 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 비중 특성 및 기체 특성을 가질 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료는 지속가능한, 생물학적인, 및/또는 재활용된 공급원으로 간주되는 것으로부터 유래된 공급원료일 수 있다. 예를 들어, 저-수율 카본 블랙 공급원료는 상온 및 상압에서 기체인 에틸렌이거나 또는 그를 포함할 수 있다. 에틸렌은 바이오-기원의 에탄올로부터, 예를 들어, 옥수수 발효 또는 그 외 다른 식물 재료 발효로부터 생산될 수 있다. 저-수율 카본 블랙 공급원료의 또 다른 예는 천연 가스이다.
본 발명의 목적상, 저-수율 카본 블랙 공급원료는 화석-연료-기반의 가솔린 생산 또는 석탄 크래킹, 또는 올레핀을 생산하는 크래킹으로부터 유래되지 않은 공급원료일 수 있다. 따라서, 저-수율 카본 블랙 공급원료는 액체 콜타르, 정유 유래 액체, 또는 에틸렌 크래커 잔사 이외의 다른 공급원료이다.
저-수율 액체 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 타이어 열분해 오일, 플라스틱 열분해 오일, 재활용된 오일, 조류 오일, 식물-유래된 오일, 도시 고형 폐기물의 열분해로부터 유래된 오일, 바이오매스 (예를 들어, 동물성 또는 식물성) 또는 농업 폐기물의 열분해 또는 부식으로부터 유래된 오일, 펄프 가공 또는 종이 생산 부산물로부터 유래된 오일, 및/또는 주로 생물재료 기원의 또 다른 오일 또는 그의 임의의 조합. 예시적인 저-수율 공급원료는 채소 또는 그 외 다른 식물-유래된 오일, 바이오-기원의 에탄올, 식물- 또는 동물-생산된 왁스 또는 레진, 동물성 지방으로부터 제공된 오일, 조류 오일, 하수 슬러지 또는 농업 폐기물의 열분해로부터 제공된 오일, 생물기원 재료의 가공으로부터의 액체 부산물, 생물재료의 열수 액화에 의해 생성된 액체, 조질 톨 오일, 톨 오일 로진, 톨 오일 피치, 또는 톨 오일 지방산, 재활용된 재료로부터 생성된 오일, 품질규격-미만, 불합격, 또는 수명-종료 타이어의 열분해로부터 유래된 오일, 폐기되거나 또는 재활용된 플라스틱 또는 고무 제품의 열분해로부터 유래된 오일, 도시 고형 폐기물의 열분해로부터 유래된 오일, 또는 바이오매스의 열분해로부터 유래된 오일, 또는 그의 임의의 조합을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 이들 액체 공급원료는 1.23 초과의 원자상 H:C 비, 또는 최대 1.02의 비중, 또는 100 미만의 BMCI 값을 갖는다. 원자상 H:C 비는 ASTM D5291에 따라 측정될 수 있고, 비중은 ASTM D4052에 의해 측정될 수 있으며, BMCI는 문헌 [Smith, H. M. (1940). Correlation Index To Aid In Interpreting Crude-Oil Analyses Technical Paper 610. Washington, DC, U.S. Department of the Interior, Bureau of Mines]에 따라 측정될 수 있고, 황 함량은 IP-336 또는 ISO 8754 표준에 따라 측정될 수 있다. 인화점은 ISO 2719에 따라 측정될 수 있다. 액체 저-수율 카본 블랙 공급원료의 구체적인 예가 하기 표 1에 제시되어 있다:
표 1.
도 1은 전통적인, 고-수율 카본 블랙 공급원료의 원자상 H:C 비를, 타이어 열분해 오일 (TPO), 식물성 오일 (Veg. 오일), 및 2종의 기체-상 공급원료 (천연 가스 및 에틸렌) (기체)와 비교하여 제시하는 그래프이다. 전통적인 공급원료의 H:C는 2016년부터 2021년 사이에 퍼니스 블랙 공정을 위한 카본 블랙 공급원료로서 사용된 대략 1000종의 대표적인 액체 콜타르, 데칸트 오일, 및 ECR의 집합군에 대해 플롯팅된다. H:C 값 범위가 3종의 저-수율 카본 블랙 공급원료 그룹과 비교될 수 있다. 전통적인 공급원료가 ≤ 1.23 (도면의 파선)의 낮은 H:C 값을 갖는다는 것이 명백하다. 도 1에서 저-수율 카본 블랙 공급원료는 모두 > 1.23의 H:C 값을 갖는다.
도 2는 전통적인, 고-수율 공급원료의 비중을, 타이어 열분해 오일 (TPO) 및 식물성 오일 (Veg. 오일)과 비교하여 예시적으로 제시하는 그래프이다. 전통적인 공급원료의 비중은 2016년부터 2021년 사이에 퍼니스 블랙 공정을 위한 카본 블랙 공급원료로서 사용된 대략 1000종의 대표적인 액체 콜타르, 데칸트 오일, 및 ECR의 집합군에 대해 플롯팅된다. 비중 범위가 2종의 저-수율 카본 블랙 공급원료 그룹과 비교된다. 전통적인 공급원료가 일반적으로 1.02 (도면의 파선) 초과의 비중을 갖는 반면에, 저-수율 카본 블랙 공급원료는 1.02 이하의 비중을 갖는다는 것이 명백하다.
도 3은 전통적인, 고-수율 공급원료의 BMCI 값을, 타이어 열분해 오일 (TPO) 및 식물성 오일 (Veg. 오일)과 비교하여 예시적으로 제시하는 그래프이다. 전통적인 카본 블랙 공급원료의 BMCI 값은 2016년부터 2021년 사이에 퍼니스 블랙 공정을 위한 카본 블랙 공급원료로서 사용된 대략 1000종의 대표적인 액체 콜타르, 데칸트 오일, 및 ECR의 집합군에 대해 플롯팅된다. 이들의 BMCI 값이 2종의 저-수율 공급원료 그룹과 비교된다. 거의 모든 전통적인 공급원료가 > 110의 BMCI 값을 가지며, 여기서 제시된 모든 예가 100 (파선) 이상의 BMCI 값을 갖는다. 대조적으로, TPO 및 식물성 오일 그룹은 100 미만의 BMCI 값을 갖는다.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 재생가능한 공급원료, 바이오-기원의 또는 바이오-기반의 공급원료, 및/또는 정제 공정의 다른 부산물, 또는 그의 임의의 조합.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 채소 또는 그 외 다른 식물-유래된 오일 (예를 들어, 옥수수 오일 및/또는 증류기 옥수수 오일).
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 바이오-기원의 에탄올 (옥수수 발효에 의한 것 또는 그 외 다른 식물, 채소, 또는 과일 기원의 발효 생성물).
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 식물- 또는 동물-생산된 왁스 및 레진, 예컨대 라놀린 또는 락.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 동물성 지방으로부터 제공된 오일.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 조류 오일.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 하수 슬러지 또는 농업 폐기물의 열분해로부터 제공된 오일.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 생물기원 재료의 가공으로부터의 액체 부산물.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 생물재료의 열수 액화에 의해 생성된 액체.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 조질 톨 오일, 톨 오일 로진, 톨 오일 피치, 또는 톨 오일 지방산 (예를 들어, 종이 제조 공정의 것).
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 재활용된 재료로부터 생성된 오일과 같은 재생가능한 공급원료.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 품질규격-미만, 불합격, 또는 수명-종료 타이어의 열분해로부터 유래된 오일.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 폐기되거나 또는 재활용된 플라스틱의 열분해로부터 유래된 오일.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 도시 고형 폐기물의 열분해로부터 유래된 오일.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 다른 예는 하기를 포함할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다: 바이오매스, 예를 들어, 동물성 또는 식물성 (예를 들어, 채소) 바이오매스의 열분해로부터 유래된 오일 (바이오 오일).
상기에 지시된 바와 같이, 본 발명에서, 적어도 본 발명의 일부 방법에 활용되는 전체 공급원료의 대부분 (wt% 기준)이 1종 이상의 저-수율 카본 블랙 공급원료이다. 바람직하게는, 이러한 양은, 사용된 모든 공급원료의 총 중량 퍼센트를 기준으로 하여, 적어도 60 wt%, 또는 적어도 65 wt%, 또는 적어도 70 wt%, 또는 적어도 75 wt%, 또는 적어도 80 wt%, 또는 적어도 85 wt%, 또는 적어도 90 wt%, 예컨대 51 wt% 내지 95 wt%, 또는 60 wt% 내지 95 wt%, 또는 65 wt% 내지 95 wt%, 또는 70 wt% 내지 95 wt%, 또는 75 wt% 내지 95 wt%, 또는 60 wt% 내지 95 wt%, 또는 60 wt% 내지 90 wt%, 또는 60 wt% 내지 85 wt%, 또는 60 wt% 내지 80 wt%, 또는 60 wt% 내지 75 wt%이다.
본 발명의 목적상, '제1 카본 블랙 공급원료' 또는 '고-수율 카본 블랙 공급원료'는 본원에 정의된 바와 같은 저-수율 카본 블랙 공급원료가 아닌 공급원료이다. 제1 카본 블랙 공급원료는 퍼니스 카본 블랙 공정에 사용되는 전통적인 카본 블랙 공급원료로 간주되거나 또는 그와 같이 지칭될 수 있다 ('전통적인' 카본 블랙 공급원료). 본원에서 추가로 논의된 바와 같이, 제1 카본 블랙 공급원료는, 임의적으로, 소량의 저-수율 카본 블랙 공급원료를 함유하는 공급원료의 블렌드일 수 있다.
제1 카본 블랙 공급원료는 전형적으로 데칸트 또는 슬러리 오일, 콜타르 또는 콜타르 증류액 분획, 또는 에틸렌 또는 페놀 크래커 잔사 부류의 것이다. 전형적인 퍼니스 공정에서의 카본 블랙 생산과 관련하여 이들의 한정적인 특징이 하기에서 추가로 논의된다.
제1 카본 블랙 공급원료는 하기 3가지 특성을 모두 갖는다:
1) 적어도 100 (예를 들어, 적어도 101, 적어도 102, 적어도 103, 적어도 104, 적어도 105, 적어도 110, 적어도 115, 적어도 120, 적어도 130, 적어도 140, 적어도 150, 적어도 160, 적어도 170, 예컨대 100 내지 180, 101 내지 180, 102 내지 180, 103 내지 180, 104 내지 180, 105 내지 180, 110 내지 180, 115 내지 180, 120 내지 180, 130 내지 180, 140 내지 180, 150 내지 180, 160 내지 180, 100 내지 175, 100 내지 170, 100 내지 165, 110 내지 175, 115 내지 175, 120 내지 175, 125 내지 170, 130 내지 170)의 BMCI,
2) 1.02 초과 (예를 들어, 1.025 초과, 1.03 초과, 1.035 초과, 1.04 초과, 1.05 초과, 예컨대 1.021 내지 1.3, 또는 1.025 내지 1.3, 또는 1.03 내지 1.3, 또는 1.05 내지 1.3, 또는 1.07 내지 1.25)의 비중,
3) 최대 1.23 (예를 들어, 최대 1.22, 최대 1.21, 최대 1.2, 최대 1.15, 최대 1.1, 최대 1.05, 최대 1, 최대 0.9, 최대 0.8, 예컨대 1.225 내지 0.7, 1.225 내지 0.8, 1.225 내지 0.9, 1.225 내지 1, 1.225 내지 1.1, 1.22 내지 0.7, 1.21 내지 0.7, 1.2 내지 0.7)의 원자상 H:C 비.
임의적으로, 제1 카본 블랙 공급원료는 또한 상온 및 상압 (예를 들어, 25℃ 및 1 atm)에서 액체일 수 있다. 액체임에도 불구하고, 제1 카본 블랙 공급원료는 피치 또는 극도로 높은 점도를 갖는 그와 유사한 재료일 수 있으며, 현저한 유동을 나타내지 않아도 된다.
제1 카본 블랙 공급원료의 예가 하기 표 2에 제공되며, 이는 콜타르, 콜타르로부터의 증류액, 촉매적 크래킹으로부터 수득된 데칸트 또는 슬러리 오일, 및 에틸렌 크래킹으로부터의 잔사유를 포함한다. 표 2에 제시된 바와 같이, 이들 공급원료는 최대 1.23의 H:C, 및 1.02 초과의 비중, 및 적어도 100의 BMCI 값을 갖는다.
표 2:
제1 카본 블랙 공급원료는 또한 타이어 열분해 오일의 정제 또는 증류로부터 유래된 분획을 포함할 수 있다. 타이어 열분해는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 임의의 방법에 의해 달성될 수 있다. 예시적인 방법은 US8350105 및 US20180320082에서 확인되는 것들을 포함하나 이에 제한되지는 않으며, 이들 문헌 둘 다의 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다. 또한 생성된 오일의 증류도 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 임의의 방법에 의해 달성될 수 있다. 예시적인 방법은 US9920262, WO2019236214에서 확인되는 것들을 포함하나 이에 제한되지는 않으며, 이들 문헌의 내용이 본원에 참조로 포함된다. 타이어 열분해 오일은 증류되어 제1 카본 블랙 공급원료로서 사용될 수 있는 적어도 하나의 분획 및 저-수율 카본 블랙 공급원료인 적어도 하나의 분획을 제공할 수 있다. 실제로, 증류는 그의 내용이 본원에 참조로 포함되는 US20130039841에 개시된 바와 같이, 카본 블랙 생산 공정의 다른 단위 공정에 보다 경제적으로 이용될 수 있는, 예를 들어, 카본 블랙을 위한 건조기 또는 제1 카본 블랙 공급원료 또는 제2 카본 블랙 공급원료 중 어느 하나 또는 둘 다를 예열하기 위한 가열기의 연료로서 이용될 수 있는 경질 분획을 생성할 수 있다. 따라서, 증류 공정과 카본 블랙 반응기의 통합은 카본 블랙 충전 타이어의 재활용으로부터의 경제적 및 환경적 이익 둘 다를 가능하게 할 수 있다.
임의적으로, 본 발명의 방법에서, 제1 카본 블랙 공급원료는, 활용된 공급원료의 총량을 기준으로 하여 (wt% 기준), 49 wt% 이하, 45 wt% 이하, 40 wt% 이하, 35 wt% 이하, 30 wt% 이하, 25 wt% 이하, 20 wt% 이하, 15 wt% 이하, 10 wt% 이하, 9 wt% 이하, 8 wt% 이하, 7 wt% 이하, 6 wt% 이하, 예컨대 5 wt% 내지 49 wt%, 또는 5 wt% 내지 45 wt%, 또는 10 wt% 내지 40 wt%, 또는 10 wt% 내지 35 wt%, 또는 10 wt% 내지 30 wt%의 양으로 사용될 수 있다.
제1 카본 블랙 공급원료는 상온 (예를 들어, 25℃) 및 대기압 (예를 들어, 1 atm) 조건 하에 액체일 수 있다. "방향족 화학종이 풍부하다"는 것은 공급원료가 존재하는 다량의 방향족 화합물을 가짐을 의미한다. 예를 들어, 다량의 방향족 화합물은 존재하는 방향족 물질의 총 중량 퍼센트가 적어도 20 wt%이거나 또는 적어도 100의 BMCI를 갖거나 또는 이들 둘 다의 경우이다. 제1 카본 블랙 공급원료는 공급원료가 증기 형태로 존재하도록 가열될 수 있으며, 따라서 실제로 방향족 화학종이 풍부한 증기가 되거나 또는 그러한 증기로서 사용될 수 있다.
본 발명의 방법 단계와 관련하여, 방법은 가열된 기체 스트림을 형성하거나 또는 그를 카본 블랙 반응기 (예를 들어, 퍼니스 카본 블랙 반응기)로 도입하는 단계를 포함한다.
'가열된 기체 스트림'은 고온 기체 또는 고온 연소 기체의 스트림일 수 있다. 가열된 기체 스트림은 고체, 액체, 및/또는 기체상 연료를 적합한 산화제 스트림 예컨대, 비제한적으로, 공기, 산소, 공기와 산소의 혼합물 등과 접촉시킴으로써 생성될 수 있다. 대안적으로, 액체 또는 기체상 연료의 첨가 없이 예열된 산화제 스트림이 통과될 수 있다. 고온 기체를 생성하기 위해 산화제 스트림을 접촉시키는데 사용하기에 적합한 연료의 예는 임의의 용이하게 연소가능한 기체, 증기, 또는 액체 스트림, 예컨대 천연 가스, 수소, 일산화탄소, 메탄, 아세틸렌, 알콜, 또는 케로센을 포함한다. 일반적으로, 탄소-함유 성분 및 특히 탄화수소를 높은 함량으로 갖는 연료를 사용하는 것이 바람직하다. 고온 기체를 형성하기 위해 혼합된 연료와 산화제의 혼합물의 당량비 (하기에서 정의됨)는 10 (매우 연료-풍부) 내지 약 0.1 (매우 연료-희박), 또는 주어진 연소기 또는 산화 장치를 사용하여 여전히 고온 기체의 생성을 가능하게 하는 가장 낮은 값일 수 있다. 언급된 바와 같이, 고온 기체의 생성을 용이하게 하기 위해, 산화제 스트림은 예열될 수 있다. 본질적으로, 가열된 기체 스트림은 연료 및/또는 산화제를 점화시키거나 또는 연소시킴으로써 생성된다. 가열된 기체 스트림에 대해 약 1000℃ 내지 약 3500℃와 같은 온도가 획득될 수 있다.
카본 블랙 반응기는 바람직하게는 퍼니스 카본 블랙 반응기이다. 보다 바람직하게는, 카본 블랙 반응기는 스테이지형 카본 블랙 반응기 (예를 들어, 다중-스테이지 카본 블랙 반응기 또는 다중-스테이지 반응기)라 칭해지는 퍼니스 반응기의 형태이다. "스테이지형"은 공급원료가 퍼니스의 장축을 따라 하나 초과의 축방향 위치에서 도입되거나 또는 주입됨을 의미한다.
이러한 방법 뿐만 아니라 본원에 기재된 다른 방법의 목적상, 미국 특허 번호 4,383,973, 미국 특허 번호 7,829,057, 미국 특허 번호 5,190,739, 미국 특허 번호 5,877,251, 미국 특허 번호 6,153,684, 또는 미국 특허 번호 6,403,695에 기재된 것과 같은 다중-스테이지 카본 블랙 반응기가 사용될 수 있으며, 이들 문헌은 모두 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
카본 블랙 반응기, 예컨대 다중-스테이지 반응기를 통해 카본 블랙을 형성하고, 카본 블랙을 형성하기 위한 적절한 고온 기체를 달성하는 일반적인 공정이 본원에 참조로 포함되는 상기 언급된 참조 특허에 추가로 기재되어 있으며, 본원에 기재된 변화를 수반하여 본 발명에서 적용될 수 있다.
도 4a 및 4b는 사용될 수 있는 카본 블랙 반응기 (도 4a에서 50 및 도 4b에서 80)의 횡단면도를 제시한다. 도 4a에서, 고온 연소 기체가 액체 또는 기체상 연료 스트림(9) 형태의 연료를 산화제 스트림(5), 예를 들어 공기, 산소, 또는 공기와 산소의 혼합물 (또한 관련 기술분야에서 "산소-풍부화된 공기"로서 공지되어 있음)과 접촉시킴으로써 연소 구역 또는 연소 챔버(1)에서 생성된다. 연료는 임의의 용이하게 연소가능한 기체, 증기, 또는 액체 스트림 예컨대 탄화수소 (예를 들어, 메탄, 천연 가스, 아세틸렌), 수소, 알콜, 케로센, 연료 혼합물 등일 수 있다. 많은 경우에, 선택된 연료는 높은 함량의 탄소-함유 성분을 갖는다.
다양한 기체상 또는 액체 연료, 예를 들어, 탄화수소가 연소 연료로서 사용될 수 있다. 당량비는 연료 대 연료를 완전히 연소시키기 위해 화학량론적으로 요구되는 산화제의 양의 비이다. 연소 구역에서의 전형적인 당량비 값은 1.2 내지 0.2의 범위이다. 고온 연소 기체의 생성을 용이하게 하기 위해, 산화제 스트림은 예열될 수 있다.
본 발명에서, 연소 단계는 연소 연료를 완전히 또는 거의 완전히 소모할 수 있다. 산소, 연료 선택, 버너 설계, 분사 속도, 혼합 조건 및/또는 패턴, 연료 대 공기의 비, 산소 풍부화된 공기 또는 순수한 산소, 온도, 및/또는 그 외 다른 인자가 조정되거나 또는 최적화될 수 있다.
고온 연소 기체 스트림은 구역(1 및 2)으로부터 구역(3 및 4)으로 하류로 유동한다. 카본 블랙 공급원료는 다른 반응기 성분 및 공급물과 관련하여 하나 이상의 적합한 위치에서 도입된다. 연소 챔버의 구역(2)이 1종 이상의 카본 블랙 공급원료가 도입되는 위치일 수 있다. 도 4a에서, 인젝터(10) 및/또는 인젝터(6)가 카본 블랙 공급원료를 반응기로 도입하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 인젝터(10)가 제1 카본 블랙 공급원료를 반응기로 도입하거나 또는 주입할 수 있다. 대안적으로, 제1 카본 블랙 공급원료는 또한 축방향 파이프 또는 랜스 (도 4b에서 파이프 또는 랜스(63)로서 제시됨)를 사용하여 챔버에 도입될 수 있다. 추가의 대안으로서, 제1 카본 블랙 공급원료는 동시에 여러 방법에 의해 주입되거나 또는 도입될 수 있다. 랜스, 또는 반응기 또는 연소 챔버에 노출된 임의의 다른 인젝터는 관련 기술분야에 공지되어 있는 방법에 의해 냉각되거나 또는 연소 챔버에서의 과도한 열로부터 보호될 필요가 있을 수 있다.
추가의 카본 블랙 공급원료, 예를 들어, 저-수율 카본 블랙 공급원료는 인젝터(6)에 의해 주입 지점(7)에서 반응기 구역(3)에 도입될 수 있다. 본 발명에서, 일반적으로, 제1 카본 블랙 공급원료의 전부는 아니더라도 적어도 일부가 저-수율 카본 블랙 공급원료가 반응기로 도입되기 전에 주입되거나 또는 도입될 수 있다. 바람직하게는, 반응기에 사용되는 제1 카본 블랙 공급원료의 대부분 (>50%)이 임의의 저-수율 카본 블랙 공급원료가 도입되기 전에 도입된다. 구역(3 및 4)은 반응 구역이고, 구역(8)은 켄칭 구역이다. Q는 켄칭 구역(8)에 이르기 전의 구역(4)의 길이를 나타낸다.
카본 블랙 공급원료는 공급원료의 연소 기체 스트림으로의 최적의 분배를 위해 설계된 하나 이상의 노즐을 통해 연소 기체 스트림으로 주입될 수 있다. 이러한 노즐은 일류체 또는 이류체일 수 있다. 이류체 노즐은, 예를 들어, 스팀, 공기, 또는 질소를 사용하여 공급원료를 무화할 수 있다. 일류체 노즐은 가압 무화할 수 있거나 또는 공급원료를 직접 기체-스트림으로 주입할 수 있다. 후자의 경우에, 무화는 기체-스트림의 힘에 의해 발생한다.
카본 블랙 공급원료는 축방향 주입 랜스 또는 중앙 파이프에 의해 주입될 수 있고/거나 유동 방향에 수직인 평면 상에 반응기의 원주를 따라 배열된 하나 이상의 반경방향 랜스가 사용될 수 있다. 반응기는 유동 방향을 따라, 반경방향 랜스를 갖는 여러 개의 평면을 포함할 수 있다. 분무 또는 주입 노즐은 랜스의 헤드부에 배열될 수 있으며, 그에 의해 공급원료가 가열된 기체 스트림의 유동으로 혼합된다.
도 4b는 본 발명에서 사용될 수 있는, 퍼니스 공정의 카본 블랙 반응기의 또 다른 예의 횡단면을 예시한다. 이러한 예시에서도, 도 4a와 같이, 산화제 스트림(51)이 연소 챔버(55)에서 연소 연료(52)와 조합된다.
챔버(55)에서 제조된 고온 연소된 또는 부분적으로 연소된 기체 스트림은 A 방향으로 목부 또는 수축구간(64)을 향해 유동한다. 제1 카본 블랙 공급원료는 저-수율 카본 블랙 공급원료보다 먼저 퍼니스 카본 블랙 반응기(80)에 도입된다. 제1 카본 블랙 공급원료는 임의적인 중앙 파이프(63), 또는 랜스 또는 인젝터 또는 랜스 세트(56)를 사용하여, 또는 (57)에 의해 지시된 바와 같이 목부(64)에 또는 그 근처에 위치하는 랜스 또는 인젝터를 통해 도입될 수 있다. 제1 카본 블랙 공급원료는 이들 위치 중 한 지점에서, 또는 이들 위치 중 두 지점에서 동시에, 또는 세 위치 모두에서 동시에 도입될 수 있다. 이들 위치 중에서 하나 초과의 위치가 사용될 때, 제1 공급원료 주입 방식 및 그의 분할은 생성물 특성 및 공정 경제성을 변형시키기 위해 달라질 수 있다. 인젝터 뿐만 아니라 연소 챔버 그 자체 (또는 그의 부분)는 필요에 따라 관련 기술분야에 공지되어 있는 방법에 의해 냉각될 수 있다.
도 4b에서, 임의적인 중앙 파이프 인젝터(63)부터 수축구간(64)의 중간까지의 길이가 길이(60)로 표시되어 있다. 이러한 중앙 파이프가 사용된다면, 해당 길이는 바람직하게는 제1 수축구간(64)의 가장 좁은 직경의 1X (배수) 내지 10X이다. 제1 카본 블랙 공급원료의 도입을 위해 중앙 파이프가 인젝터 또는 랜스 어레이(57)와 동시에 사용된다면, 길이(60)는 상기에 언급된 바와 같을 수 있거나 또는 0만큼 작을 수 있다. 이러한 길이를 조정함으로써 구조화와 공정 경제성의 균형을 맞출 수 있다. 높이 또는 직경(54)이 연소 챔버에 대해 제시되어 있으며, 이러한 높이는 높이 또는 직경(64)보다 더 크고, 높이 또는 직경(64)은 높이 또는 직경(54)보다 적어도 20%, 적어도 30%, 적어도 40%, 적어도 50% 더 작을 수 있다.
제1 카본 블랙 공급원료의 도입 후에, 공급원료와 혼합된 고온 기체 스트림은 제1 반응 챔버(58)로 유입된다. 챔버의 목적은 미국 특허 번호 7,829,057에 교시된 바와 같이, 카본 블랙을 생성하는 열분해 반응이 유도 시간을 완료하고 시작될 수 있도록 하는 체류 시간을 제공하고, 임의적으로 이후의 구조 성장을 위한 시드 입자 집합을 생성하는 것이다. 이러한 챔버의 길이(66)는 전형적으로 제1 수축구간(64)의 가장 좁은 직경의 1X 내지 20X일 수 있다.
제1 반응 챔버(58)의 단부에서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 도입될 수 있다. 이는 제2 수축구간(65) 내에 또는 그 근처에 위치하는 인젝터 또는 인젝터 어레이(59)를 사용하여 도입될 수 있다. 대안적으로, 이는 수축구간(65)의 실질적으로 상류에 있지만, 챔버(58) 내에 있는 것은 아닌 랜스에 의해 도입될 수 있다.
저-수율 카본 블랙 공급원료의 도입 후에, 혼합물은 제2 반응 챔버(61)로 유동한다. 이어서, 이는 관련 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이, 액체 또는 증기의 냉각 분무액(62)을 사용하여 켄칭된다. 저-수율 카본 블랙 공급원료의 주입 지점(59)부터 켄칭 위치(62)까지의 길이가 도 4b에서 (67)로 표시되어 있다. 이러한 길이는 퍼니스 공정 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 특정의 생성물 특성을 제어하는 체류 시간을 제공하도록 설정된다.
대안적인 배열은 제1 카본 블랙 공급원료를 위치(63 및/또는 56)에서 도입하고, 이어서 저-수율 카본 블랙 공급원료를 위치(57 및/또는 59)에서 도입하며, 여기서 두 위치가 모두 사용되는 경우에는 동시에 사용될 수 있다. 이는 카본 블랙 구조화 능력과 수율 또는 공정 경제성 사이의 유익한 트레이드오프를 제공할 수 있다. 모든 상기 실시양태에서, 사용되는 제1 카본 블랙 공급원료의 적어도 일부, 바람직하게는 대부분 (>50%), 예를 들어, 모든 제1 카본 블랙 공급원료가 저-수율 카본 블랙 공급원료보다 먼저 상류에서 도입된다.
본 발명의 추가의 또 다른 예에서, 제1 카본 블랙 공급원료는 상기에 기재된 BMCI, 비중, 및 H:C 파라미터를 충족시키는 고-수율 카본 블랙 공급원료 및 저-수율 카본 블랙 공급원료의 블렌드일 수 있으며, 단, 블렌드가 제1 카본 블랙 공급원료에 대해 상기에 기재된 BMCI, 비중, 및 H:C 파라미터를 충족시켜야 한다. 블렌드는 질량 기준으로 50 wt% 초과의 고-수율 카본 블랙 공급원료 (예를 들어, 50.5 wt% 내지 99.5 wt%, 예컨대 60 wt% 내지 99 wt%의 고-수율 카본 블랙 공급원료)를 함유할 수 있다.
마찬가지로, 저-수율 카본 블랙 공급원료도 임의적으로 고-수율 카본 블랙 공급원료 및 제1 카본 블랙 공급원료에 대한 BMCI, H:C, 및 비중 파라미터 중 적어도 하나를 충족시키지 않는 비-고-수율 카본 블랙 공급원료의 블렌드일 수 있으며, 단, 블렌드가 또한 제1 카본 블랙 공급원료에 대해 요구되는 BMCI, H:C, 및 비중 파라미터 중 적어도 하나를 충족시키지 않아야 한다. 비-고-수율 카본 블랙 공급원료는 질량 기준으로 이러한 임의적인 블렌드의 전체 공급원료의 50% 초과의 양으로 존재할 수 있다 (예를 들어, 50.5 wt% 내지 99.5 wt%, 예컨대 60 wt% 내지 99 wt%의 비-고-수율 카본 블랙 공급원료). 추가적으로, 모든 주입 위치를 합쳐서 그를 통해 반응기에 도입된 제1 카본 블랙 공급원료의 총량은 반응기의 임의의 위치에서 사용된 카본 블랙 공급원료의 총량을 기준으로 하여 50 wt% 미만이다. 저-수율 카본 블랙 공급원료의 총량은 전체 공급원료를 기준으로 하여 50 wt% 초과이다.
임의적으로, 본 발명의 한 방법에서, 방법은 카본 블랙 반응기에서 적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료를 가열된 기체 스트림과 함께 도입하여 반응 스트림을 형성하는 단계를 포함한다. 제1 카본 블랙 공급원료는 1종이거나 또는 2종 이상의 상이한 제1 카본 블랙 공급원료의 조합일 수 있다. 1가지 유형 초과의 공급원료가 제1 카본 블랙 공급원료로서 활용되는 경우에, 다수의 제1 카본 블랙 공급원료는 함께 블렌딩되어 하나의 블렌딩된 공급원료로서 하나의 또는 다수의 위치를 통해 주입될 수 있거나, 또는 각각의 공급원료가 별도로 동일하거나 또는 상이한 위치에서 연소 챔버로 주입될 수 있다.
임의적으로, 본 발명의 한 방법에서, 방법은 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료를 반응 스트림으로 도입하는 단계를 포함한다. 저-수율 카본 블랙 공급원료는 1종이거나 또는 2종 이상의 상이한 저-수율 카본 블랙 공급원료의 조합일 수 있다. 1가지 유형 초과의 공급원료가 저-수율 카본 블랙 공급원료로서 활용되는 경우에, 다수의 저-수율 카본 블랙 공급원료는 함께 블렌딩되어 하나의 블렌딩된 공급원료로서 하나의 또는 다수의 위치를 통해 주입될 수 있거나, 또는 각각의 공급원료가 별도로 동일하거나 또는 상이한 위치에서 연소 챔버로 주입될 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 임의의 방법에 활용되는 임의의 카본 블랙 공급원료는 인젝터를 사용하여 단일 스트림 또는 복수의 스트림에 의해 반응기로 주입될 수 있으며, 이로써 고온 연소 기체 스트림의 내부 영역까지 침투한다. 인젝터는 고온 연소 기체와 카본 블랙 공급원료(들)의 빠른 속도의 혼합 및 전단화를 보다 잘 보장할 수 있다. 이는 공급원료가, 바람직하게는 빠른 속도 및/또는 높은 수율로 열분해되어 본 발명의 카본 블랙을 형성하도록 보장한다.
도 5는 본 발명의 실시에 사용될 수 있으며, 하기 기재된 실시예 1-13의 생산에 사용된 반응기의 구체적인 예를 예시한다.
제1 카본 블랙 공급원료는 반응기 내 하나의 위치에서 또는 반응기 내 다수의 위치에서 도입될 수 있다. 이러한 공급원료의 도입은, 예를 들어, 도 5에 제시된 바와 같은 반응기(90)에서 최대 직경 D챔버(75)를 갖는 연소 챔버(74)에 위치하는 중앙 파이프 또는 랜스(73)에 의해 수행될 수 있다. 중앙 파이프는 대략 반응기의 중심선 (축방향의 중심) 상에 위치할 수 있다. 중앙 파이프는 첨단부에 인젝터 헤드부(77) 또는 분무 헤드부를 가질 수 있다. 첨단부의 인젝터는, 예를 들어, 첨단부 둘레에 하나 또는 다수 (2개 또는 3개 또는 4개 또는 그 초과)의 홀을 가질 수 있다 (예를 들어, 다수의 홀 중 하나가 (610)으로서 제시된 도 6a에 제시된 바와 같이, 일반적으로 균일한 간격을 갖는 다수의 홀). 이러한 주입 지점은 중앙 파이프에 의해 실행될 수 있거나 또는 다른 주입 장치를 사용하여 달성될 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에서, 저-수율 카본 블랙 공급원료는 반응기 내 하나의 위치에서 또는 반응기 내 다수의 위치에 도입될 수 있다. 지시된 바와 같이, 본 발명의 이러한 방법에서, 반응기 내 위치 또는 위치들은 제1 카본 블랙 공급원료가 주입되거나 또는 도입되는 위치/위치들의 하류에 있다. 저-수율 카본 블랙 공급원료의 도입은, 예를 들어, 도 4a 및 4b에 제시된 바와 같이, 반응기의 연소 챔버에 공급원료를 도입하는 하나 이상의 인젝터 (예를 들어, 반응기의 벽 상에 위치하는 금속 파이프(들))에 의해 수행될 수 있다. 인젝터는 첨단부에 인젝터 헤드부 또는 분무 헤드부를 가질 수 있다. 첨단부의 인젝터는, 예를 들어, 첨단부 둘레에 하나 또는 다수 (2개 또는 3개 또는 4개 또는 그 초과)의 홀을 가질 수 있다 (일반적으로 균일한 간격을 갖는 다수의 홀).
임의적으로, 저-수율 카본 블랙 공급원료의 반응기 및 반응 스트림으로의 도입은, 예를 들어 도 4a 및 4b에 제시된 바와 같이, 공급원료가 반응기를 통과하는 반응 스트림의 측방 유동에 수직으로 도입되도록 이루어질 수 있다. 수직이란, 공급원료의 반응 스트림으로의 정확한 수직 주입으로부터 플러스 또는 마이너스 15도 벗어난 것일 수 있다.
임의적으로, 저-수율 카본 블랙 공급원료의 반응기로의 도입은 제1 카본 블랙 공급원료가 이전에 도입된 반응기의 직경보다 더 좁은 직경을 갖는 위치에서 이루어질 수 있다. 이러한 위치는 일부 카본 블랙 반응기에서 '목부'로 간주될 수 있다. 도 4a 및 4b는 반응기의 이러한 목부 또는 목부 영역의 예를 제공한다. 이와 같이 더 좁은 직경은 제1 카본 블랙 공급원료가 이전에 도입된 반응기의 직경보다 적어도 10% 더 작거나, 또는 적어도 20% 더 작거나, 또는 적어도 30% 더 작거나, 또는 10% 내지 40% 더 작은 직경을 가질 수 있다. 도 5에서, 이는 D챔버(75) vs. D목부(76)이다.
임의적으로, 저-수율 카본 블랙 공급원료의 반응기 및 반응 스트림으로의 도입은 제1 카본 블랙 공급원료가 반응기에 도입되거나 또는 주입된 곳으로부터 거리 DA (도 5에서, 이 거리는 L파이프(78)로 지시됨)에 있는 위치에서 이루어질 수 있으며, 이러한 DA는 반응기의 연소 챔버의 가장 좁은 직경의 적어도 1 또는 적어도 2배이다 (또는 제1 카본 블랙 공급원료가 도입되거나 또는 주입된 반응기의 직경의 적어도 2배임). 이러한 거리는 반응기의 연소 챔버의 직경의 적어도 2.25, 적어도 2.5, 적어도 2.75, 적어도 3, 적어도 3.25, 적어도 3.5, 적어도 3.75, 또는 적어도 4배일 수 있다 (또는 제1 카본 블랙 공급원료가 도입되거나 또는 주입된 반응기의 직경의 적어도 2.25, 적어도 2.5, 적어도 2.75, 적어도 3, 적어도 3.25, 적어도 3.5, 적어도 3.75, 또는 적어도 4배임).
저-수율 카본 블랙 공급원료는 위치(83)에서 하나 이상의 인젝터를 통해 도입될 수 있다.
공급원료 (제1 카본 블랙 공급원료 및 저-수율 카본 블랙 공급원료)가 반응 스트림과 조합된 후에, 본 발명의 방법은 일반적으로 반응을 켄칭하는 단계를 포함한다. 도 5에서, 이는 켄칭 분무액(81)이다. 목부(76) 다음의 반응 구역은 (80)으로서 제시된 최대 직경 D반응기를 갖는다. L켄칭부는 저-수율 카본 블랙 공급원료가 도입된 곳부터 켄칭이 일어나는 곳까지의 길이를 제시한다.
반응은 반응기의 켄칭 구역 (도 4a의 구역(8) 참조)에서 정지된다. 도 4a에 제시된 바와 같이, 켄칭부(8)는 반응 구역(4)의 하류에 위치하며, 켄칭액, 예컨대 물을 새로 형성된 카본 블랙 입자의 스트림으로 분무한다. 일반적으로, 켄칭부는 카본 블랙 입자를 냉각시키고, 기체상 스트림의 온도를 감소시키며, 반응 속도를 저하시키는 역할을 한다. Q는 반응 구역(4)의 시작점부터 켄칭 지점(8)까지의 거리이며, 켄칭부의 위치에 따라 달라질 것이다. 임의적으로, 켄칭은 스테이지화되거나, 또는 반응기 내 여러 지점에서 일어날 수 있다. 가압 분무, 기체-무화 분무, 또는 그 외 다른 켄칭 기술이 또한 활용될 수 있다. 카본 블랙을 형성하기 위한 반응의 완전한 켄칭과 관련하여, 카본 블랙-생성 공급원료가 도입된 곳의 하류에서 반응을 켄칭하기 위한 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 임의의 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 물 또는 그 외 다른 적합한 유체일 수 있는 켄칭액이 주입되어 화학 반응을 중단시킬 수 있다.
켄칭 후에, 냉각된 기체 및 카본 블랙은 임의의 통상적인 냉각 및 분리 수단으로 하류로 통과하며, 이로써 생성물이 회수된다. 기체 스트림으로부터의 카본 블랙의 분리는 통상적인 수단 예컨대 집진기, 사이클론 분리기, 백 필터 또는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 그 외 다른 수단에 의해 용이하게 달성된다. 카본 블랙이 기체 스트림으로부터 분리된 후에, 카본 블랙은 임의적으로 펠릿화 단계에 적용될 수 있다.
본 발명의 임의의 방법에 있어서, 임의적으로, 생산된 카본 블랙은 코어 및 코팅을 갖는 카본 블랙이 아니다.
본 발명의 임의의 방법에 있어서, 임의적으로, 카본 블랙은 반응기 계내에서 완전하게 형성된다.
임의적으로, 본 발명의 방법에 사용되는 카본 블랙 공급원료 또는 그 외 다른 성분 중 어느 하나 이상은 반응기로의 도입 전에 예열될 수 있다. 예를 들어, 1963년 6월 25일에 허여된 미국 특허 번호 3,095,273 (Austin); 1966년 11월 29일에 허여된 미국 특허 번호 3,288,696 (Orbach); 1976년 10월 5일에 허여된 미국 특허 번호 3,984,528 (Cheng et al.); 1982년 2월 16일에 허여된 미국 특허 번호 4,315,901 (Cheng et al.); 1988년 8월 23일에 허여된 미국 특허 번호 4,765,964 (Gravley et al.); 1999년 12월 7일에 허여된 미국 특허 번호 5,997,837 (Lynum et al.); 2006년 8월 29일에 허여된 미국 특허 번호 7,097,822 (Godal et al.); 2014년 10월 28일에 허여된 미국 특허 번호 8,871,173B2 (Nester et al.) 또는 CA 682982에 제시된 바와 같은 적합한 예열 온도 및/또는 예열 기술이 본 발명에서 사용될 수 있으며, 이들 문헌은 모두 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 저-수율 카본 블랙 공급원료는 보다 고-수율의 공급원료에 대해 전형적인 것보다 더 높은 온도로 예열될 수 있다. 예를 들어, 저-수율 카본 블랙 공급원료는 심지어 주위 압력에서, 600℃ 초과의 온도, 예를 들어, 600-800℃로 가열될 수 있다. 저-수율 카본 블랙 공급원료는 낮은 농도의 아스팔텐을 갖기 때문에, 이러한 높은 온도로의 가열이 상당한 양의 코크스 또는 그 외 다른 고체 비-카본 블랙 화학종을 생성하지 않는다. 대안적으로 또는 추가적으로, 카본 블랙 공급원료 중 어느 하나 이상은, 예를 들어, 그의 전체 내용이 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 번호 10,829,642 (Unrau)에 기재된 바와 같이, 반응기로의 도입 전에 증량제 유체와 조합될 수 있다.
임의적으로, 방법은 주기율표의 적어도 1종의 IA족 또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)이거나 또는 그를 함유하는 적어도 1종의 물질의 부재 하에 수행된다.
임의적으로, 본 발명의 임의의 방법에서, 방법은 주기율표의 적어도 1종의 IA족 또는 IIA족 원소 (또는 그의 이온)이거나 또는 그를 함유하는 적어도 1종의 물질을 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 물질은 적어도 1종의 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 함유한다. 그의 예는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘, 칼슘, 바륨, 스트론튬, 또는 라듐, 또는 그의 조합을 포함한다. 이들 성분 중 1종 이상의 임의의 혼합물이 상기 물질에 존재할 수 있다. 상기 물질은 고체, 용액, 분산액, 기체, 또는 그의 임의의 조합일 수 있다. 동일하거나 또는 상이한 IA족 또는 IIA족 금속을 갖는 1종 초과의 물질이 사용될 수 있다. 다수의 물질이 사용된다면, 이들 물질은 함께, 별도로, 순차적으로, 또는 상이한 반응 위치에서 첨가될 수 있다. 본 발명의 목적상, 상기 물질은 금속 (또는 금속 이온) 그 자체, 이들 원소 중 1종 이상을 함유하는 화합물, 예컨대 이들 원소 중 1종 이상을 함유하는 염 등일 수 있다. 바람직하게는, 상기 물질은 카본 블랙 생성물을 형성하는 진행 중인 반응으로 금속 또는 금속 이온을 도입할 수 있다. 본 발명의 목적상, 바람직하게는, 상기 물질은 상기에 기재된 바와 같은 완전한 켄칭 전에 도입된다. 예를 들어, 상기 물질은 완전한 켄칭 전 임의의 시점에서, 예컨대 카본 블랙-생성 공급원료 중 어느 하나 또는 둘 다의 도입 전에; 카본 블랙-생성 공급원료 중 어느 하나 또는 둘 다의 도입 중에; 임의의 또는 모든 카본 블랙-생성 공급원료의 도입 후에; 또는 모든 공급원료의 도입 후이지만 완전한 켄칭이 이루어지기 전에 첨가될 수 있다. 상기 물질의 하나 초과의 도입 시점이 사용될 수 있다. IA족 또는 IIA족 금속을 함유하는 물질의 양은, 카본 블랙 생성물이 형성될 수 있는 한, 임의의 양일 수 있다. 예를 들어, 상기 물질의 양은 200 ppm 이상의 IA족 또는 IIA족 원소가 최종적으로 형성된 카본 블랙 생성물에 존재하도록 하는 양으로 첨가될 수 있다. 다른 양은 약 200 ppm 내지 약 5000 ppm 또는 그 초과를 포함하고, 다른 범위는 형성된 카본 블랙 생성물에 존재하는 약 300 ppm 내지 약 1000 ppm, 또는 약 500 ppm 내지 약 1000 ppm의 IA족 또는 IIA족 원소일 수 있다. 이들 수준은 금속 이온 농도에 대한 것일 수 있다. 언급된 바와 같이, 형성된 카본 블랙 생성물에 존재하는 IA족 또는 IIA족 원소의 이들 양은 1종의 원소 또는 1종 초과의 IA족 또는 IIA족 원소에 대한 것일 수 있으며, 따라서 형성된 카본 블랙 생성물에 존재하는 IA족 또는 IIA족 원소의 합한 양일 것이다. 상기 물질은 임의의 통상적인 수단을 포함한 임의의 방식으로 첨가될 수 있다. 다시 말해서, 상기 물질은 카본 블랙-생성 공급원료가 도입되는 것과 동일한 방식으로 첨가될 수 있다. 상기 물질은 기체, 액체, 또는 고체, 또는 그의 임의의 조합으로서 첨가될 수 있다. 상기 물질은 하나의 시점에서 또는 여러 시점에서 첨가될 수 있으며, 단일 스트림 또는 복수의 스트림으로서 첨가될 수 있다. 상기 물질은 그의 도입 전에 또는 도입 중에 공급원료, 연료, 및/또는 산화제와 혼합될 수 있다.
본 발명의 임의의 방법에 의해 형성된 카본 블랙과 관련하여, 형성되거나 또는 생산된 카본 블랙은 임의의 강화 또는 비-강화 등급의 카본 블랙일 수 있다. 강화 등급의 예는 N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, 및 N375이다. 반-강화 등급의 예는 N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787, 및/또는 N990이다.
카본 블랙은 퍼니스 블랙일 수 있다.
카본 블랙은 비표면적, 구조화, 응집체 크기, 형상, 및 분포; 및/또는 표면의 화학적 및 물리적 특성에 의해 특징화될 수 있다. 카본 블랙의 특성은 관련 기술분야에 공지되어 있는 시험에 의해 분석 결정된다. 예를 들어, 질소 흡착 표면적 및 표면적의 또 다른 척도인 통계적 두께 표면적 (STSA)은 ASTM 시험 절차 D6556에 따라 질소 흡착에 의해 결정된다. 아이오딘가는 ASTM 절차 D-1510을 사용하여 측정될 수 있다. 카본 블랙 "구조화"는 1차 카본 블랙 입자가 서로 융합되어 형성된 카본 블랙 응집체의 크기 및 복잡성을 기술한다. 여기서 사용된 카본 블랙 구조화는 ASTM D-2414에 제시된 절차에 따라 비파쇄된 카본 블랙에 대한 오일 흡수가 (OAN)로서 측정될 수 있으며, 이는 100 그램의 카본 블랙당 오일의 밀리리터로 표시된다. 압축 샘플 오일 흡수가 (COAN)는 기계적 응력의 적용에 의해 쉽게 변경되지 않는 카본 블랙 구조의 부분을 측정한다. COAN은 ATSM D3493에 따라 측정된다. 응집체 크기 분포 (ASD)는 브룩헤이븐 인스트루먼츠(Brookhaven Instruments)에 의해 제조된 모델명 BI-DCP의 디스크 원심분리 광침전계를 사용하여 ISO 15825 방법에 따라 측정된다.
특정한 적용에 대해 적합한 특성을 갖는 카본 블랙 재료는 ASTM 표준 (예를 들어, ASTM D 1765 고무 제품에 사용되는 카본 블랙의 표준 분류 체계 참조), 예를 들어, N100, N200, N300, N500, N600, N700, N800, 또는 N900 시리즈 카본 블랙, 예를 들어, N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787, 또는 N990 카본 블랙, 또는 다른 상업용 등급의 사양에 의해 선택되고 정의될 수 있다.
카본 블랙은 5 m2/g 내지 250 m2/g, 11 m2/g 내지 250 m2/g, 20 m2/g 내지 250 m2/g 또는 그 초과의 범위와 같은, 예를 들어, 적어도 70 m2/g, 예컨대 70 m2/g 내지 250 m2/g, 또는 80 m2/g 내지 200 m2/g, 또는 90 m2/g 내지 200 m2/g, 또는 100 m2/g 내지 180 m2/g, 110 m2/g 내지 150 m2/g, 120 m2/g 내지 150 m2/g 등의 임의의 STSA를 가질 수 있다. 임의적으로, 카본 블랙은 약 5 내지 약 35 mg I2/g 카본 블랙의 아이오딘가 (I2가)를 가질 수 있다 (ASTM D1510에 따름).
본원에 개시된 카본 블랙 입자는 ASTM D6556의 절차에 따라 브루나우어/엠메트/텔러 (Brunauer/Emmett/Teller; BET) 기술에 의해 측정된, 5 m2/g 내지 300 m2/g, 예를 들어 50 m2/g 내지 300 m2/g, 예를 들어, 100 m2/g 내지 300 m2/g의 BET 표면적을 가질 수 있다. BET 표면적은 약 100 m2/g 내지 약 200 m2/g 또는 약 200 m2/g 내지 약 300 m2/g일 수 있다.
오일 흡착가 (OAN)는 40 mL/100g 내지 200 mL/100g, 예를 들어 60 mL/100g 내지 200 mL/100g, 예컨대 80 mL/100g 내지 200 mL/100g, 예를 들어, 100 mL/100g 내지 200 mL/100g 또는 120 mL/100g 내지 200 mL/100g, 140 mL/100g 내지 200 mL/100g, 160 mL/100g 내지 200 mL/100g, 또는 예컨대 40 mL/100g 내지 150 mL/100g 또는 40 mL/100g 내지 150 mL/100g일 수 있다.
COAN은 약 40 mL/100 g 내지 약 150 mL/100g, 예를 들어, 약 55 mL/100g 내지 약 150 mL/100g, 예컨대 약 80 mL/100g 내지 약 150 mL/100g, 또는 약 80 mL/100g 내지 약 120 mL/100g의 범위 내에 있을 수 있다.
카본 블랙은 규소-함유 화학종 및/또는 금속-함유 화학종 등을 함유하는 탄소 생성물일 수 있으며, 이는 이러한 화학종을 카본 블랙-생성 공급원료 중 어느 하나 또는 둘 다와 함께 또는 그에 추가적으로 도입하는 추가의 단계를 포함시킴으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 목적상, 카본 블랙은 적어도 하나의 탄소 상 및 적어도 하나의 금속-함유 화학종 상 또는 규소-함유 화학종 상을 포함하는 다중상 응집체일 수 있다 (또한 캐보트 코포레이션(Cabot Corporation)의 에코블랙(ECOBLAK)™ 재료와 같은, 규소-처리된 카본 블랙으로서 공지되어 있음).
언급된 바와 같이, 카본 블랙은 러버 블랙, 및 특히 강화 등급의 카본 블랙 또는 반-강화 등급의 카본 블랙일 수 있다.
임의적으로, 본 발명의 카본 블랙은 탄소 표면에 직접 부착되어 있는 (예를 들어, 공유 부착되어 있는) 관능성 기 또는 화학적 기 (예를 들어, 이온성이든 또는 비이온성이든, 소분자 또는 중합체로부터 유래됨)를 가질 수 있다. 카본 블랙 입자의 표면에 직접 (예를 들어, 공유) 부착될 수 있는 관능성 기의 예 및 표면 개질을 수행하는 방법이, 예를 들어, 1996년 9월 10일에 허여된 미국 특허 번호 5,554,739 (Belmont) 및 1999년 7월 13일에 허여된 미국 특허 번호 5,922,118 (Johnson et al.)에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다. 하나의 예시로서, 여기서 이용될 수 있는 표면 개질된 카본 블랙은 술파닐산 또는 파라-아미노-벤조산 (PABA)의 HCl 및 NaNO2와의 반응에 의해 형성된 디아조늄 염으로 카본 블랙을 처리함으로써 수득된다. 디아조늄 염을 사용하는 술파닐산 또는 파라-아미노-벤조산 공정에 의한 표면 개질은, 예를 들어, 탄소 코팅 상에 유효량의 친수성 모이어티를 갖는 카본 블랙을 생성한다.
카본 블랙은, 그의 내용이 전체적으로 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 번호 8,975,316 (Belmont et al.)에 따라 표면 개질될 수 있다.
카본 블랙의 표면에 부착되어 있는 관능성 기를 제공하기 위해 사용될 수 있는 다른 기술이 2007년 11월 27일에 허여된 미국 특허 번호 7,300,964 (Niedermeier et al.)에 기재되어 있다.
산화된 (개질된) 카본 블랙은, 예를 들어, 그 전문이 본원에 참조로 포함되는 2011년 4월 12일에 허여된 미국 특허 번호 7,922,805 (Kowalski et al.), 및 2002년 10월 29일에 허여된 미국 특허 번호 6,471,763 (Karl)에 기재된 바와 같이, 카본 블랙에 대해 사용되는 것과 유사한 방식으로 제조될 수 있다. 산화된 카본 블랙은 표면 상에 이온성 및/또는 이온화가능한 기를 도입하기 위해 산화제로 산화시킨 것이다. 이러한 입자는 표면 상에 산소-함유 기를 보다 높은 정도로 가질 수 있다. 산화제는 산소 기체, 오존, 과산화물 예컨대 과산화수소, 과황산염, 예컨대 과황산나트륨 및 과황산칼륨, 차아할로겐산염 예컨대 차아염소산나트륨, 산화성 산 예컨대 질산, 및 전이 금속-함유 산화제, 예컨대 퍼망가네이트 염, 사산화오스뮴, 산화크로뮴, 또는 질산세륨암모늄을 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 산화제의 혼합물, 특히 기체상 산화제 예컨대 산소 및 오존의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 다른 표면 개질 방법, 예컨대 염소화 및 술포닐화가 또한 이용되어 이온성 또는 이온화가능한 기를 도입할 수 있다. 카본 블랙은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있는 임의의 방법에 의해 표면 개질될 수 있다. 예를 들어, 카본 블랙은, 그의 전체 내용이 본원에 참조로 포함되는 US10767028에 기재된 바와 같이 열 처리될 수 있다.
카본 블랙은 다양한 적용분야에서, 예컨대, 예를 들어, 고무 제품의 강화재, 예를 들어, 타이어 구성요소로서 활용될 수 있다.
카본 블랙은, 예를 들어, 타이어 트레드, 특히 승용차, 경량 차량, 트럭 및 버스 타이어, 오프더로드 ("OTR") 타이어, 항공기 타이어 등을 위한 트레드; 서브-트레드; 와이어 스킴; 사이드월; 리트레드 타이어를 위한 쿠션 검; 및 그 외 다른 타이어 용도를 위해 사용되는 고무 물품에 혼입될 수 있다.
다른 적용분야에서, 입자는 산업용 고무 물품, 예컨대 엔진 마운트, 액체 봉입식 마운트, 교량 받침 및 면진 장치, 탱크 트랙 또는 트레드, 광산 벨트, 호스, 가스켓, 밀봉재, 블레이드, 틈마개 물품, 범퍼, 방진 부품 등에 사용될 수 있다.
카본 블랙은 타이어 구성요소 및/또는 그 외 다른 산업용 고무 최종-용도를 위한 제1 강화제에 대해 대안적으로 또는 추가적으로 첨가될 수 있다. 카본 블랙은 내부 회분식 혼합기, 연속식 혼합기 또는 롤 밀에 기반하는 적합한 건식 또는 습식 혼합 공정으로 천연 및/또는 합성 고무와 조합될 수 있다.
대안적으로, 카본 블랙은 액체 마스터배치 공정을 통해 고무와 혼합될 수 있다. 예를 들어, 본원에 기재된 입자를 함유하는 슬러리가 또한 액조에서 엘라스토머 라텍스와 조합되고, 이어서 미국 특허 번호 6,841,606에 기재된 기술을 사용하여 응고제, 예컨대 산의 첨가에 의해 응고될 수 있다.
카본 블랙은, 그 전문이 본원에 참조로 포함되는 2000년 4월 11일에 허여된 미국 특허 번호 6,048,923 (Mabry et al.)에 따라 도입될 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머 마스터배치를 제조하는 방법은 미립자 충전제 유체 및 엘라스토머 라텍스 유체를 응고 반응기의 혼합 구역에 동시에 공급하는 것을 수반할 수 있다. 응고 구역은 혼합 구역으로부터, 바람직하게는 유입 단부로부터 배출 단부로 하류 방향으로 갈수록 횡단면적이 점점 더 증가하면서 연장된다. 엘라스토머 라텍스는 천연 또는 합성일 수 있고, 미립자 충전제는 상기 기재된 바와 같은 재료를 포함하거나, 그로 본질적으로 이루어지거나, 또는 그로 이루어진다. 미립자 충전제는 혼합 구역에, 바람직하게는 주입되는 유체의 연속적인 고속 분사로서 공급되며, 반면 라텍스 유체는 저속으로 공급된다. 미립자 충전제 유체의 속도, 유량 및 미립자 농도는, 미립자 충전제가 함유된 엘라스토머 라텍스가 배출 단부에 이르기 전에 실질적으로 완전히 응고되도록 하기 위해 적어도 응고 구역의 상류 부분 내에서 라텍스 유체의 고도의 전단화가 이루어지는 혼합물 및 혼합물의 난류를 유도하기에 충분하다. 산 또는 염 응고제를 필요로 하지 않으면서 실질적으로 완전한 응고가 일어날 수 있다. 그의 전문이 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 번호 6,075,084에 개시된 바와 같이, 추가의 엘라스토머가 응고 반응기의 배출 단부에서 나오는 재료에 첨가될 수 있다. 그의 전문이 본원에 참조로 포함되는 미국 특허 번호 6,929,783에 개시된 바와 같이, 응고물은 이어서 탈수 압출기에 공급될 수 있다. 적합한 마스터배치 공정의 다른 예가 미국 특허 번호 6,929,783 (Chung et al.); US 2012/0264875A1 출원 (Berriot et al.); U.S. 2003/0088006A1 출원 (Yanagisawa et al.); 및 EP 1 834 985 B1 (Yamada et al.에게 허여됨)에 개시되어 있다.
카본 블랙은 천연 또는 합성 고무를 활용하여, 적합한 고무 제제에서 평가될 수 있다. 사용될 카본 블랙의 적합한 양은 비슷한 제조 공정에서의 표준 ASTM 퍼니스 블랙의 전형적인 로딩량, 이용되는 기술 및/또는 장비에 대해 특정된 파라미터, 다른 첨가제의 존재 또는 부재, 최종 생성물의 목적하는 특성 등과 같은 인자를 고려하여, 일상적인 실험, 계산법을 통해 결정될 수 있다.
고무 배합물을 위한 강화제로서의 카본 블랙의 성능은, 예를 들어, 입자를 활용한 고무 조성물의 성능을, 주어진 적용에 적합한 카본 블랙 등급의 사용을 제외하고는 모든 면에서 유사한 비교 고무 조성물의 성능에 대해 상대적으로 결정함으로써 평가될 수 있다. 다른 접근법에서는, 본 발명에 따라 제조된 조성물에 대해 획득된 값이 주어진 적용에서의 목적하는 파라미터와 관련된 관련 기술분야에 공지된 값과 비교될 수 있다.
적합한 시험은 비경화 고무 시험, 경화 시험, 및 경화된 고무 시험을 포함한다. 적절한 비경화 고무 시험 중에서, ASTM D4483은 100℃에서의 ML1+4 무니(Mooney) 점도 시험을 위한 시험 방법을 제시한다. 스코치 시간은 ASTM D4818에 따라 측정된다.
경화 곡선은 ASTM D5289에 따라 고무 공정 분석기 (RPA2000)에 의해 0.5°, 100cpm, 및 150C (NR) - 160C (SBR)에서 획득된다.
경화된 샘플의 성능 특징은 일련의 적절한 시험에 의해 결정될 수 있다. 인장 강도, 파단 신율, 및 다양한 변형률 (예를 들어 100% 및 300%)에서의 응력은 모두 ASTM D412 방법 A를 통해 획득된다. 저장 탄성률, 손실 탄성률, 및 tan δ를 포함한 동적 기계적 특성은 10Hz, 60C 및 0.1% 내지 63%의 다양한 변형률 진폭에서의 변형률 변환 시험에 의해 획득된다. 쇼어(Shore) A 경도는 ASTM D2240에 따라 측정된다. 다이 B 유형의 경화된 고무 샘플의 인열 강도는 ATSM D624에 따라 측정된다.
미분산 면적은 다양한 보고된 방법에 따라 절단 횡단면적의 경화된 고무 배합물의 반사 모드 광학 현미경검사에 의해 획득된 이미지를 분석하여 계산된다. 분산은 또한 문헌 [S. Otto and Al in Kautschuk Gummi Kunststoffe, 58 Jahrgang, NR 7-8/2005]의 표제 "New Reference value for the description of Filler Dispersion with the Dispergrader 1000NT" 하의 논문에 기재된 방법에 따라, 리티큘레이션 후에, 측정된 Z 값으로 나타내어질 수 있다. 표준 ISO 11345는 고무에서의 카본 블랙 및 카본 블랙/실리카의 마크로분산 정도의 신속한 비교 평가를 위한 시각적 방법을 제시한다.
내마모성은 캐보트 마모기 (램본(Lambourn) 유형)에 의한 경화된 고무의 마모량에 따른 지수로서 수치화된다. 매력적인 내마모성 결과는 유리한 마모 특성을 나타낼 수 있다. 우수한 히스테리시스 결과는 자동차 타이어 적용을 위한 낮은 구름 저항 (또한 상응하게 보다 뛰어난 연비), 감소된 열축적, 타이어 내구성, 트레드 수명 및 케이싱 수명, 자동차의 연비 특색 등과 관련있을 수 있다.
아이오딘가 (I2가)는 ASTM 시험 절차 D1510에 따라 결정된다. STSA (통계적 두께 표면적)는 ASTM 시험 절차 D-5816에 기반하여 결정된다 (질소 흡착에 의해 측정됨). OAN은 ASTM D2414에 기반하여 결정된다. COAN은 ASTM D3493 (예를 들어, D3493-20)에 기반하여 결정된다.
달리 명시되지 않는 한, 본원에서 퍼센트로 기재된 모든 재료 비율은 중량 퍼센트이다.
본 발명은, 본질적으로 단지 예시적인 것으로 의도된 하기 실시예에 의해 더욱 명확해질 것이다.
실시예
본 발명 및 본원에 제시된 실시예의 목적을 위해, 일부 용어에 대한 설명이 하기에 제공된다.
당량비: 부분 산화 공정에 대한 전체 당량비 Φ O 는 모든 투입 연료 및 공급원료의 화학량론적 연소를 위해 필요한 산화제의 몰 유량을 실제 산화제 몰 유량으로 나눈 비이다. 따라서, Φ O 가 > 1인 경우에는, 혼합물이 연료-풍부를 나타내고, < 1인 경우에는, 혼합물이 연료-희박을 나타낸다. 카본 블랙 생산은 바람직하게는 Φ O 가 실질적으로 연료-풍부를 나타낼 때, 전형적으로 > 1.6일 때 이루어진다.
고온 연소된 기체를 생성하는 연소 챔버에 대한 당량비 Φ P 는 전달된 버너 연료 및 산화제의 양에 의해 정의된다. Φ P 는 전형적으로 연료-희박을 나타내며, 0.33 내지 0.9의 값을 취한다.
당량비 Φ I 는 연소 챔버에 도 5에 예시된 중앙 파이프로 도입된 임의의 추가의 연료 또는 공급물을 더하고, 하지만 목부에서 도입된 공급물은 제외한 것에 대한 당량비이다.
수율: 수율 Y는 도 5의 연소 챔버를 위해 사용된 천연 가스를 제외한, 카본 블랙 반응기로 주입된 공급원료의 총 질량당 수득된 고체 탄소의 질량이며, 단위가 [kg C/kg 공급원료]이다. Y는 반응기에서 생산된 고체 탄소의 총 질량 속도를 공급원료의 총 질량 속도로 나눈 것에 상응하며, 이는 본원 실시예에서 공급원료, 버너 연료, 및 모든 산화제의 투입 속도, 뿐만 아니라 생성된 부생 기체의 조성의 측정에 의해 측정된다.
탄소 함량: [kg C/kg 공급원료] 단위의 탄소 함량 [C]는 반응기로 도입된 모든 카본 블랙 공급원료의 질량-평균한 탄소 함량이며, 공급원료를 통해 반응기로 유입된 탄소 원자의 총 질량 속도를 공급원료의 총 질량 속도로 나눈 것에 상응한다. 이 값은 데칸트 오일 및 에틸렌 공급원료의 측정된 속도, 및 이들의 측정된 원소 조성에 따라 산출된다.
무차원 수율: 무차원 수율 Y/[C]는 상기 수율을 탄소 함량으로 나눈 것이다. 이는 획득된 최대로 가능한 수율의 분수를 나타낸다. 예를 들어, Y/[C] = 0.5라면, 이는 반응기로 유입된 공급원료 탄소의 ½이 고체 탄소로 전환되었음을 의미한다. 나머지는 기체-상 화학종으로서 손실되었다.
톨루엔 추출물, I2, STSA, OAN, 및 COAN
OAN 및 COAN은 건조 펠릿에 대해 분석되며, 상기에 인용된 ASTM 표준을 따른다. I2가 및 STSA는 상기에 인용된 ASTM 방법에 의해 건조 펠릿에 대해 분석된다.
반응기 구성 및 작동
실시예에서, 제1 카본 블랙 공급원료로는 데칸트 오일 (표 5)이 사용되었고, 저-수율 카본 블랙 공급원료 또는 기체상 카본 블랙 공급원료로는 에틸렌 기체가 사용되었다.
카본 블랙 퍼니스 공정을 활용하여, 도 5에 제시된 바와 같이, 천연 가스 및 고온 공기가 연소 챔버에서 조합되어 고온 연소된 기체 스트림을 제공하였다. 이러한 연소된 기체는 연료-희박 (산화제-풍부)을 나타내며, 전형적으로 0.32 내지 0.8의 당량비 Φ P 를 가졌다. 연소 챔버는 내화성-라이닝되었으며, 그의 내부 직경이 표 3에 제공되었다.
일부 실시예에서, 도 5에 제시된 바와 같은 중앙 파이프(73)를 사용하여 공급원료의 일부가 도입되었다. 이 파이프는 대략 목부의 중심선 상에, 수평으로 위치하였다. 파이프는 5.4 cm의 외부 직경을 가졌다. 파이프를 통과하는 공급원료가 액체 데칸트 오일인 경우에는, 중앙 파이프의 장축에 수직으로 6개의 균일한 간격을 갖는 오리피스 홀에 의한 중실-원추형 분무 또는 가압 분무가 사용되었다.
중앙 파이프 내 공급원료가 저-수율 카본 블랙 공급원료인 에틸렌인 경우에는, 도 5에 제시된 바와 같은 기체 인젝터(77)가 사용되었으며, 그의 치수는 실시예의 표에 지시되었다. 이 기체 인젝터 (도 6a (첨단부 주위의 반경방향으로 균일한 간격을 갖는 총 3개의 홀 중 하나의 홀(610)을 제시함) 또는 6b (하나의 홀(611)과 동축의 기체 인젝터))는 중앙 파이프의 단부에 설치되었다. 공급원료가 이러한 방식으로 주입되지 않는 경우에는, 중앙 파이프가 제거되었다.
그 다음에, 챔버로부터의 연소된 기체는, 사용된 경우에, 중앙 파이프로 도입된 공급원료와 함께 (도 5 참조), 수축구간으로 인도되어 보다 좁은 목부 (도 5에서 76)로 유입된다. 목부에서, 저-수율 카본 블랙 공급원료인 에틸렌이 목부의 내부 둘레 주위로 균일한 간격을 갖는 3개의 기체 인젝터를 사용하여 주입되었다. 인젝터는 대략 2 cm의 내부 직경을 갖는 직관형 금속 튜브였다. 이들은 도 5에 도시된 바와 같이, 유동 방향에 수직으로 위치하였다.
목부는 내화성-라이닝된 반응기 챔버에 부착되었다. 반응기 챔버는 공급원료가 그의 카본 블랙 입자로의 열분해를 완료하기 위한 체류 시간을 제공하였다. 도 5에 제시된 주입 평면의 하류로 거리 L켄칭부에서, 켄칭을 위해 물 분무액이 사용되었으며, 이는 카본 블랙 퍼니스 공정에 대해 전형적이다. 켄칭부의 하류에서, 부생 기체 스트림으로부터 카본 블랙 입자를 분리하기 위해 필터가 사용되었다. 필터 내의 카본 블랙이 I2 흡수 및 톨루엔 추출물 (S20)을 위해 샘플링되었다. 이어서, 카본 블랙은 STSA, OAN, 및 COAN의 측정을 위해 펠릿화되고 건조되었다.
여과된 부생 기체가 샘플링되었고, 그의 조성이 각각의 조건에 대해 측정되었으며 수율이 결정되었다.
표 3. 도 5에 제시된 반응기에서의 치수
도 5의 연소 챔버에 공급된 천연 가스는 실시예를 위해 표 4에 제시된 바와 같은 평균 조성 측정치를 가졌다. 성분은 기체 크로마토그래피에 의해 측정되었다.
표 4. 실험 데이터를 위한 천연 가스의 평균 조성.
실시예에서 사용된 에틸렌은 99% 순수한 에틸렌 (중량 기준)이었으며, 추가로 분석되지 않았다.
이들 실시예에서 액체 데칸트 오일은 표 2에서의 공급원료 G였으며, 상기 표에 열거된 특성, 뿐만 아니라 하기 표 5에 제공된 특성을 가졌다.
표 5. 데칸트 오일 공급원료의 특성.
결과.
표 6-9는 도 5의 퍼니스 공정으로 카본 블랙을 생산한 실시예를 제시한다. 실시예 1-5 및 11-13은 저-수율 카본 블랙 공급원료인 에틸렌이 퍼니스에서, 목부에, 중앙 파이프로, 또는 일부 에틸렌의 중앙 파이프에 의한 스테이지화에 이어서 나머지의 목부에서의 주입으로 단독으로 사용되는 경우에 일어나는 일을 제시한다. 실시예 6-10 및 14-18은 에틸렌-단독의 경우와 비교하여, 본 발명의 이익을 제시한다. 본 발명에서는, 전체 공급원료 중의 소량이 제1 카본 블랙 공급원료로서, 중앙 파이프를 통해 주입되었고, 저-수율 카본 블랙 공급원료인 에틸렌이 목부에서 주입되었다.
결과에서 제시된 바와 같이, 저-수율 카본 블랙 공급원료의 단독 사용은 주어진 표면적에 대해 불량한 수율을 초래하였으며 (도 7-8), 대부분의 ASTM 카본 블랙 등급에 맞추기에 너무 낮은 구조화 능력 (OAN 또는 COAN에 의해 지시됨) (도 9-10)을 초래하였다. 이론에 얽매이기를 원하지는 않지만, 이들 결과는, 적어도 부분적으로, 제1 카본 블랙 공급원료에 비해, 저-수율 카본 블랙 공급원료의 낮은 방향족 물질 함량에 기인하는 것일 수 있다.
여러 이익이, 본원 실시예에 의해 적어도 부분적으로 제시된 바와 같이, 본 발명에 의해 획득된다. 첫째로, 무차원 수율이 저-수율 카본 블랙 공급원료의 단독 사용과 비교하여, 본 발명이 실시될 때 크게 개선된다. 둘째로, 높은 구조화를 달성하는 능력이 본 발명의 방법을 사용함으로써 크게 증가한다. 저-수율 카본 블랙 공급원료의 스테이지화만으로는 (Ex. 4 및 Ex. 5) 이들 이득을 달성하지 못한다.
표 6. 에틸렌을 단독으로 사용하여 생산된 카본 블랙의 실시예의 표, Φ P ~ 0.45
표 7. 도 5에 제시된 바와 같이, 데칸트 오일이 중앙 파이프로 도입되고, 공급원료의 대부분이 목부에서 도입되는 카본 블랙 생산.
표 8. 에틸렌을 단독으로 사용하여 생산된 카본 블랙의 실시예의 표, Φ P ~ 0.75.
표 9. 도 5에 제시된 바와 같이, 데칸트 오일이 중앙 파이프로 도입되고, 공급원료의 대부분이 목부에서 도입되는 카본 블랙 생산.
수율의 개선.
도 7은 실시예 1-5 및 6-10으로부터 획득된 무차원 수율을 표면적에 대해 플롯팅한다. 데이터 포인트 상의 숫자 표시는 표 6-9에서의 실시예 번호를 나타낸다. 실시예 1-5에서, 에틸렌이 사용된 유일한 공급원료이다. 실시예 1에서는, 에틸렌이 목부에서만 주입된다. 실시예 2 및 3에서는, 에틸렌이 동축 인젝터 (도 6b)를 통해, 중앙 파이프만을 사용하여 주입된다. 실시예 4 및 5에서는, 에틸렌 공급원료의 일부가 중앙 파이프로 스테이지화되며 (35 및 50 질량%), 나머지는 목부를 사용하여 주입된다.
플롯팅에서 실시예 6-10은 실시예 1-5와 비교하여 본 발명의 효과를 제시한다. 실시예 6-10에서, 공급원료의 일부 (25 또는 40 질량%)는 표에 지시된 바와 같이 중앙 파이프를 통해 주입된 데칸트 오일이었다. 이들 실시예의 무차원 수율은 모두 단독의 저-수율 카본 블랙 공급원료로 달성된 것보다 훨씬 더 높았다. 특히, 도 7의 실시예 1, 3, 4 및 5를 실시예 6 및 7과 비교한다. 제1 카본 블랙 공급원료의 상대적으로 소량 (25%)으로의 사용은 30 내지 35 m2/g STSA의 주어진 표면적 범위에서 획득되는 수율을 크게 증가시켰다.
일반적으로, 카본 블랙 퍼니스 공정에서 다른 조건은 일정하게 유지하면서 표면적이 증가되면 무차원 수율은 감소된다. 그 이유는 보다 높은 표면적이 보다 높은 온도를 요구하여, 보다 많은 산화 및 보다 적은 고체 탄소 수율로 이어지기 때문이다. 따라서, 무차원 수율 대 표면적의 플롯팅은 표면적이 증가함에 따라 대략적으로 하향 추세를 제공할 것이다. 이러한 효과가 도 7에서 타원에 의해 강조되어 있다. 본 발명에 의해 생성된 카본 블랙의 그룹 (실시예 6-10)은 그의 수율이 단독의 에틸렌으로부터 생성된 것 (실시예 1-5)보다 훨씬 더 높은 추세선 상에 있다.
또한, 단독의 에틸렌 공급원료의 스테이지화 (실시예 4 및 5)가 주어진 표면적에서 획득되는 수율을 그리 크게 개선시키지 못한다는 점에 주목한다. 효과를 초래하기 위해서는 제1 카본 블랙 공급원료 또는 방향족 물질-고함량 재료가 제1 스테이지에서 필요한 것으로 생각된다.
표 8 및 9는 Φ P 가 보다 높은 값을 갖는 유사한 실시예 세트를 제시한다. 결과가 도 8에 플롯팅되어 있다. 실시예 11-12는 단독의 에틸렌이 목부에서 또는 중앙 파이프로 주입되었으므로 본 발명의 측면이 수반되지 않은 작업을 나타내고; 실시예 14-18은 소량의 데칸트 오일이 중앙 파이프를 통해 공급되었으므로 본 발명의 이익을 제시한다. 다시 한번, 본 발명은, 도 7에서와 같이, 주어진 표면적에서 달성가능한 수율을 크게 증가시켰으며, 이러한 평가가 Φ P 와 상관없이 유지된다. 다시 한번, 본 발명에 의해 생성된 카본 블랙의 그룹 (실시예 14-18)은 그의 수율이 단독의 에틸렌으로부터 생성된 것 (실시예 11-12)보다 훨씬 더 높은 추세선 상에 있었다.
특정한 이론에 얽매이지는 않지만, 제1 스테이지에서 도입된 제1 카본 블랙 공급원료로부터의 시드 입자의 생성이 중요하지 않거나, 또는 적어도 본 발명에 의한 증가된 수율의 효과를 초래하는데 있어서의 유일한 인자가 아닌 것으로 가정된다. 실시예 6 및 7의 Φ I 값은 < 1.6이었으며, 이는 매우 극소수의 카본 블랙 입자가 중앙 파이프의 오일로부터 생성되며; 그럼에도 불구하고, 수율 이익이 달성되었음을 시사한다. 따라서, 효과는 적어도 부분적으로 데칸트 오일의 방향족 물질 함량에 기인하는 것일 수 있다.
고정된 표면적에서의 구조화의 개선.
본 발명의 두번째 이익은 도 9에 제시된 바와 같이, 주어진 표면적에서 달성가능한 구조화의 실질적인 증가를 제공한다는 것이었다. 해당 도면에서, 데이터 포인트 상의 숫자 표시는 표 6-9에서의 실시예 번호를 나타내고; 백색-다이아몬드 포인트 상의 "N" 표시는 주어진 표면적에서의 입자 구조화에 대한 ASTM 등급 요건을 나타낸다. 여기서 제시된 모든 실시예는 알칼리 금속 첨가제가 사용되지 않았으므로, 이들은 기재된 작업 구성에 대해 최대로 달성가능한 구조화를 나타낸다. 확인될 수 있는 바와 같이, 단독의 방향족 물질-결여 저-수율 카본 블랙 공급원료 (실시예 1, 3 및 5)는 매우 낮은 구조화의 카본 블랙 등급을 생산하였다. 본 발명의 사용은 훨씬 더 높은 최대 구조화를 초래하였다 (실시예 6-10).
또한, 단독의 에틸렌 공급원료의 스테이지화가, 실시예 3에서 제시된 바와 같이, 저-수율 카본 블랙 공급원료로부터 달성가능한 구조화를 거의 개선시키지 않았다는 점에 주목한다. 그 대신에, 방향족 물질-풍부, 또는 제1 카본 블랙 공급원료가 제1 스테이지에서 주입되어야 하는 것으로 생각된다.
통상의, ASTM-수록된 카본 블랙 등급에 대한 전형적인 구조화를 나타내는 포인트 (백색 다이아몬드)가 도 9에 포함되어 있다. 이는 본 발명이 어떻게 그 자체만으로는 통상의 카본 블랙 등급을 생성할 수 없는 공급원료를 사용할 수 있고, 이러한 공급원료를 사용하여 이들 등급을 생성하는 공정을 제공할 수 있는지를 예시하는데 도움이 된다.
마찬가지로, 도 10은 표 8 및 9로부터의 구조화 대 표면적을 제시한다. 다시 한번, 본 발명은 보편적인 카본 블랙 퍼니스 공정에서 저-수율 카본 블랙 공급원료의 상류에서 방향족 물질-풍부 공급원료를 주입함으로써 구조화 및 표면적이 통상의 카본 블랙 등급에 대해 요구되는 바와 같이 획득될 수 있는 반면에, 저-수율 카본 블랙 공급원료를 단독으로 사용하면 이것이 가능하지 않음을 제시한다.
표 10A 및 10B에서의 실시예 19-26, 및 이들에 기반하는 도면은 저-수율 카본 블랙 공급원료가 중질 타이어 열분해 오일, 또는 HTPO인 실시예를 예시한다. HTPO는 폐타이어 분쇄물의 열분해에 의해 생성되는 재활용된 오일이다. 이어서, 오일은 증류되어 "중질" 또는 보다 높은 비중의 오일 분획을 생성한다. 이들 실시예를 위해 사용된 HTPO는 표 11에 제시된 특성을 가졌고; 이들 실시예를 위한 통상적인 공급원료는 데칸트 오일이었으며, 이 또한 제시되어 있다.
표 10A
표 10B
* 옥수수 오일의 375℃의 평균 비점으로부터 추정됨
표 11
실시예 19-26을 위한 반응기 구성은 도 5에 예시되어 있다. 이러한 구성을 위한 주요 치수가 표 12에 제시되어 있다. 이들 실시예에서, 데칸트 오일이든 또는 데칸트 오일과 HTPO의 블렌드이든, 전체 공급원료의 일부가 때때로 표 12에 지시된 인젝터를 사용하여 중앙 파이프(73)로 주입되었다. 전체 공급원료의 나머지는 도 5의 목부(76)로 주입되었다. 목부 인젝터는 이들이 횡류에 수직으로 향하도록 설치된, 목부의 원주 둘레로 균일한 간격을 갖는 직경 0.7 내지 1.5 mm의 4개의 소형 튜브 세트였다. 목부 인젝터의 크기는 액체 공급원료가 목부의 횡류 내로 충분히 침투하도록 선택되었다.
표 12
도 11에 제시된 바와 같이, 단일 주입 위치에서 순수한 HTPO가 사용된 경우에, OAN에 의해 측정된 구조화가 낮았다 (Ex. 19 및 20). Ex. 21 및 22에서는, 30% 데칸트 오일과 70% HTPO의 블렌드가 목부에서 사용되었고, 구조화가 증가되었다. Ex. 23 및 24에서는, 이와 동일한 블렌드가 사용되었으나, 단, 전체 공급원료 양의 30%가 중앙 파이프로 주입되었고, 나머지는 목부에서 주입되었다. Ex. 25 및 26에서는, 데칸트 오일이 주입된 전체 공급원료의 30%를 구성하고 HTPO가 70%를 구성하도록, 데칸트 오일은 순수한 공급원료로서 중앙 파이프로 주입되었고, 한편 HTPO는 순수한 공급원료로서 목부로 주입되었다. 제1 카본 블랙 공급원료가 전통적인 공급원료였고, 한편 하류에서 저-수율 공급원료가 주입된 - 이러한 방법이 최대의 구조화 능력을 초래하였다.
표 13에서의 실시예 27-28은 도 4b에 제공된 것과 같은 구성이 사용된 실시예를 예시한다. 표 14는 이들 실시예에서 사용된 반응기의 치수를 제공한다. 도 12는 이들 실시예를 Ex. 21 및 22와 함께 플롯팅한다.
표 13
표 14. 치수 칼럼의 번호는 도 4b를 참조함.
도 12에서의 모든 실시예는 30% 데칸트 오일과 70% HTPO의 전체 공급원료 혼합물을 사용하였다. 이러한 혼합물이 도 5의 구성으로 단일 목부에서 주입된 경우에, 상대적으로 낮은 구조화가 초래되었다 (Ex. 21 및 22). 이러한 낮은 구조화가, 부분적으로, 실시예 27 및 28에 비해 상대적으로 많은 알칼리 첨가제의 결과이지만, 알칼리가 사용되지 않은 경우에도 Ex. 21 및 22는 가장 낮은 구조화를 나타낼 것이다. 동일한 혼합물이 2개의 목부 위치에서 주입된 경우에, 보다 높은 구조화가 획득되었다 (Ex. 28). 그러나, 모든 제1 공급원료, 또는 전통적인 공급원료가 제1 목부로 주입되고 저-수율 공급원료가 독점적으로 제2 목부에서 사용된 경우에, 주어진 표면적에서 보다 높은 구조화가 달성되었다 (Ex. 27). 데이터 포인트 상의 점선 표시는 단지 가이드일 뿐이며, 그의 기울기가 Ex. 22와 Ex. 21 사이의 것과 일치한다.
표 15에서의 실시예 29-33은 저-수율 공급원료가 식물성 오일, 이 경우에 증류기 옥수수 오일인 실시예를 예시한다. 표 11이 실험에 사용된 해당 식물성 오일의 특성을 제공한다. 이들 실시예를 위한 반응기 구성은 도 4b에 예시되어 있으며, 표 12에서와 같은 치수를 갖는다.
표 15
도 13은 구조화 능력이 약한 공급원료를 개선시키기 위한 예시적 실시양태의 능력을 예시한다. 모든 이들 실시예는 카본 블랙 공급원료로서 30% 데칸트 오일 및 70% 증류기 옥수수 오일을 사용하였다. 실시예 29 및 30에서는, 이들 2종의 공급원료가 직접 블렌딩되어 반응기에 단일 목부로 주입되었다. 이는 90 ml/100g 미만의 OAN으로, 낮은 구조화를 초래하였다. 실시예 31에서의 2개의 목부가 사용되지만, 공급원료가 직접 블렌딩된 경우에는, 구조화가 보통으로 개선되긴 하지만, 여전히 낮았다.
그러나, 실시예 32 및 33에 제시된 바와 같이, 모든 데칸트 오일이 독점적으로 제1 목부로 통과한 예시적 실시양태에서, 구조화가 크게 증가하였다. 이를 위해, 50% 데칸트 오일과 50% 옥수수 오일의 블렌드가 제1 목부에서 주입되었고, 한편 100% 옥수수 오일이 제2 목부로 주입되었다. 이들 실시예에서의 전체 공급원료 사용법은 실시예 29-33과 동일하였다: 사용된 전체 공급원료의 30%는 데칸트 오일이고 70%는 증류기 옥수수 오일임.
본원에 제공된 실시양태의 사용은 또한 도 14에 제시된 바와 같이, 주어진 표면적에서 달성가능한 수율을 개선시켰다. 단일 목부로의 30% 데칸트 오일과 70% 옥수수 오일의 직접적인 블렌드는 낮은 수율을 제공한 반면에 (Ex. 29 및 30), 두 부분으로 된 목부를 사용하면 수율이 다만 약간 개선되었다 (Ex. 31). 그러나, 모든 데칸트 오일이 독점적으로 제1 목부로 주입된 경우에 (제1 목부로 50% 데칸트 오일 및 50% 옥수수 오일, 제2 목부로 100% 옥수수 오일), 무차원 수율이 유의하게 개선되었다 (Ex. 32 및 33). 도 14의 점선은 Ex. 29 및 30으로 관찰된 표면적에 따른 수율의 기울기를 나타내며; 이러한 종류의 음의 기울기는 퍼니스 카본 블랙 공정에 대해 전형적이다.
본 발명은 하기 측면/실시양태/특색을 임의의 순서로 및/또는 임의의 조합으로 포함한다:
1. 하기 단계를 포함하는, 카본 블랙을 생산하는 방법으로서:
가열된 기체 스트림을 퍼니스 카본 블랙 반응기로 도입하는 단계;
적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료를 상기 가열된 기체 스트림과 조합하여 반응 스트림을 형성하는 단계;
하류에서 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료를 존재하는 상기 반응 스트림에 조합하여 카본 블랙을 형성하며, 여기서 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료는 전체 공급원료의 적어도 60 wt.%를 구성하는 것인 단계; 및
반응 스트림에서 카본 블랙을 회수하는 단계,
여기서 제1 카본 블랙 공급원료는 상온 및 상압에서 액체이며, 하기 특성을 갖고:
- ≥ 100의 광산국 상관 지수 (BMCI),
- ≤ 1.23의 원자상 H:C 비, 및
- > 1.02의 비중;
여기서 저-수율 카본 블랙 공급원료는 하기 특성 중 적어도 하나를 갖거나:
< 100의 광산국 상관 지수 (BMCI), 또는
> 1.23의 원자상 H:C 비, 또는
≤ 1.02의 비중, 또는
상온 및 상압에서 기체인
방법.
2. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 하기 중 적어도 하나인 방법:
a) < 95의 상기 광산국 상관 지수 (BMCI), 또는
b) 상온 및 상압에서의 상기 기체, 또는
c) > 1.3의 상기 원자상 H:C 비, 또는
d) ≤ 1.0의 상기 비중.
3. 저-수율 카본 블랙 공급원료가 에틸렌인 방법.
4. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 천연 가스인 방법.
5. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 1.02 미만의 상기 비중을 갖는 것인 방법.
6. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 타이어 열분해 오일, 또는 타이어 열분해 오일의 증류 또는 분별로부터 유래된 오일인 방법.
7. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 액체 콜타르, 정유 유래 액체, 또는 에틸렌 크래커 잔사, 또는 페놀 크래커 잔사 이외의 다른 공급원료인 방법.
8. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 플라스틱 열분해 오일, 높은 H:C의 데칸트 오일, 재생가능한 공급원료, 바이오-기원의 공급원료, 또는 정제 공정의 다른 부산물, 또는 그의 임의의 조합인 방법.
9. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 하기: 채소 또는 그 외 다른 식물-유래된 오일, 바이오-기원의 에탄올, 식물- 또는 동물-생산된 왁스 또는 레진, 동물성 지방으로부터 제공된 오일, 조류 오일, 하수 슬러지 또는 농업 폐기물의 열분해로부터 제공된 오일, 생물기원 재료의 가공으로부터의 액체 부산물, 생물재료의 열수 액화에 의해 생성된 액체, 조질 톨 오일, 톨 오일 로진, 톨 오일 피치, 또는 톨 오일 지방산, 재활용된 재료로부터 생성된 오일, 품질규격-미만, 불합격, 또는 수명-종료 타이어의 열분해로부터 유래된 오일, 폐기되거나 또는 재활용된 플라스틱 또는 고무 제품의 열분해로부터 유래된 오일, 도시 고형 폐기물의 열분해로부터 유래된 오일, 또는 바이오매스의 열분해로부터 유래된 오일, 또는 그의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
10. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 적어도 제1 카본 블랙 공급원료가 데칸트 오일, 슬러리 오일, 콜타르, 콜타르 유도체, 에틸렌 크래커 잔사, 또는 페놀 크래커 잔사 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
11. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 제1 카본 블랙 공급원료가 타이어 열분해 오일의 증류로부터 수득된 분획을 포함하는 것인 방법.
12. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 방법에서의 전체 공급원료 투입량의 65-90 wt%의 범위인 방법.
13. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 방법에서의 전체 공급원료 투입량의 70-90 wt%의 범위인 방법.
14. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 퍼니스 카본 블랙 반응기가 연소 챔버 및 연소 챔버의 하류에 있는 목부 및 목부의 하류에 있는 반응 챔버 및 반응 챔버의 하류에 있는 켄칭 구역을 갖고, 제1 카본 블랙 공급원료가 퍼니스 카본 블랙 반응기의 연소 챔버에서 주입되고 저-수율 카본 블랙 공급원료가 목부에서 주입되는 것인 방법.
15. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 퍼니스 카본 블랙 반응기가 연소 챔버 및 연소 챔버의 하류에 있는 목부 및 목부의 하류에 있는 반응 챔버 및 반응 챔버의 하류에 있는 켄칭 구역을 갖고, 제1 카본 블랙 공급원료가 상기 목부에서 주입되고 저-수율 카본 블랙 공급원료가 상기 목부 다음에서 주입되는 것인 방법.
16. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 퍼니스 카본 블랙 반응기가 상기 연소 챔버의 하류에서 그리고 상기 켄칭 구역의 앞에서 제2 목부를 포함하고, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 상기 제2 목부에서 주입되는 것인 방법.
17. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 상기 적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료가 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료가 주입되는 위치보다 상류의 적어도 하나의 위치에서 그리고 상기 적어도 하나의 저-수율 카본 블랙 공급원료 위치보다 하류의 적어도 하나의 별도의 위치에서 상기 퍼니스 카본 블랙 반응기로 도입되는 것인 방법.
18. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 적어도 1종의 저-수율 공급원료가 주입되는 위치보다 먼저 도입되는 제1 카본 블랙 공급원료의 양이 제1 카본 블랙 공급원료의 총량의 50% 초과인 방법.
19. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 상기 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료가 적어도 2개의 별도의 위치에서 상기 퍼니스 카본 블랙 반응기로 도입되며, 여기서 별도의 위치 중 하나가 나머지 다른 것의 하류에 있는 것인 방법.
20. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 상기 적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료가 상기 제1 카본 블랙 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 50 wt% 미만의 비-고-수율 카본 블랙 공급원료를 포함하는 블렌드인 방법.
21. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 상기 적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료가 상기 제1 카본 블랙 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 95 wt% 내지 100 wt%의 고-수율 카본 블랙 공급원료를 포함하는 것인 방법.
22. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 상기 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료가 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 50 wt% 미만의 고-수율 카본 블랙 공급원료를 포함하는 블렌드인 방법.
23. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 < 100의 상기 BMCI를 갖는 것인 방법.
24. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 >1.23의 상기 원자상 H:C 비를 갖는 것인 방법.
25. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 상온 및 상압에서 상기 기체인 방법.
26. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면에 있어서, 회수된 상기 카본 블랙이 N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787, 또는 N990 등급 카본 블랙인 방법.
24. 임의의 상기 또는 하기 실시양태/특색/측면으로부터 생성된 카본 블랙.
본 발명은 본원에서 임의의 문장 및/또는 단락으로 제시된 바와 같은 상기 및/또는 하기의 이들 다양한 특색 또는 실시양태의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 본원에 개시된 특색의 임의의 조합은 본 발명의 일부로 간주되며, 조합가능한 특색과 관련하여 어떠한 제한도 의도되지 않는다.
본 출원인은 본 개시내용에서 인용된 모든 참고문헌의 전체 내용을 구체적으로 포함시킨다. 추가로, 양, 농도, 또는 그 외 다른 값 또는 파라미터가 범위, 바람직한 범위, 또는 바람직한 상한값과 바람직한 하한값의 목록으로 제공되는 경우에, 이는 범위의 별도로의 개시 여부에 상관없이, 임의의 상한 범위 한계 또는 바람직한 값 및 임의의 하한 범위 한계 또는 바람직한 값이 임의로 쌍을 이루어 형성된 모든 범위를 구체적으로 개시하는 것으로 이해되어야 한다. 수치 값의 범위가 본원에서 열거되는 경우에, 달리 언급되지 않는 한, 범위는 그의 종점, 및 범위 내의 모든 정수 및 분수를 포함하도록 의도된다. 본 발명의 범주는 범위를 정의할 때 열거된 특정한 값으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 다른 실시양태는 본 명세서의 고찰 및 본원에 개시된 본 발명의 실시를 통해 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 명세서 및 실시예는 단지 예시적인 것으로 간주되며, 본 발명의 진정한 범주 및 취지가 하기 청구범위 및 그의 등가물에 의해 지시되도록 의도된다.
Claims (26)
- 하기 단계를 포함하는, 카본 블랙을 생산하는 방법으로서:
가열된 기체 스트림을 퍼니스 카본 블랙 반응기로 도입하는 단계;
적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료를 상기 가열된 기체 스트림과 조합하여 반응 스트림을 형성하는 단계;
하류에서 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료를 존재하는 상기 반응 스트림에 조합하여 카본 블랙을 형성하며, 여기서 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료는 전체 공급원료의 적어도 60 wt.%를 구성하는 것인 단계; 및
반응 스트림에서 카본 블랙을 회수하는 단계,
여기서 제1 카본 블랙 공급원료는 상온 및 상압에서 액체이며, 하기 특성을 갖고:
- ≥ 100의 광산국 상관 지수 (BMCI),
- ≤ 1.23의 원자상 H:C 비, 및
- > 1.02의 비중;
여기서 저-수율 카본 블랙 공급원료는 하기 특성 중 적어도 하나를 갖거나:
< 100의 광산국 상관 지수 (BMCI), 또는
> 1.23의 원자상 H:C 비, 또는
≤ 1.02의 비중, 또는
상온 및 상압에서 기체인
방법. - 제1항에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 하기 중 적어도 하나인 방법:
a) < 95의 상기 광산국 상관 지수 (BMCI), 또는
b) 상온 및 상압에서의 상기 기체, 또는
c) > 1.3의 상기 원자상 H:C 비, 또는
d) ≤ 1.0의 상기 비중. - 제1항에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 에틸렌인 방법.
- 제1항에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 천연 가스인 방법.
- 제1항에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 1.02 미만의 상기 비중을 갖는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 타이어 열분해 오일, 또는 타이어 열분해 오일의 증류 또는 분별로부터 유래된 오일인 방법.
- 제1항에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 액체 콜타르, 정유 유래 액체, 또는 에틸렌 크래커 잔사, 또는 페놀 크래커 잔사 이외의 다른 공급원료인 방법.
- 제1항에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 플라스틱 열분해 오일, 높은 H:C의 데칸트 오일, 재생가능한 공급원료, 바이오-기원의 공급원료, 또는 정제 공정의 다른 부산물, 또는 그의 임의의 조합인 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 하기: 채소 또는 그 외 다른 식물-유래된 오일, 바이오-기원의 에탄올, 식물- 또는 동물-생산된 왁스 또는 레진, 동물성 지방으로부터 제공된 오일, 조류 오일, 하수 슬러지 또는 농업 폐기물의 열분해로부터 제공된 오일, 생물기원 재료의 가공으로부터의 액체 부산물, 생물재료의 열수 액화에 의해 생성된 액체, 조질 톨 오일, 톨 오일 로진, 톨 오일 피치, 또는 톨 오일 지방산, 재활용된 재료로부터 생성된 오일, 품질규격-미만, 불합격, 또는 수명-종료 타이어의 열분해로부터 유래된 오일, 폐기되거나 또는 재활용된 플라스틱 또는 고무 제품의 열분해로부터 유래된 오일, 도시 고형 폐기물의 열분해로부터 유래된 오일, 또는 바이오매스의 열분해로부터 유래된 오일, 또는 그의 임의의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 제1 카본 블랙 공급원료가 데칸트 오일, 슬러리 오일, 콜타르, 콜타르 유도체, 에틸렌 크래커 잔사, 또는 페놀 크래커 잔사 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 카본 블랙 공급원료가 타이어 열분해 오일의 증류로부터 수득된 분획을 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 방법에서의 전체 공급원료 투입량의 65-90 wt%의 범위인 방법.
- 제1항에 있어서, 저-수율 카본 블랙 공급원료가 방법에서의 전체 공급원료 투입량의 70-90 wt%의 범위인 방법.
- 제1항에 있어서, 퍼니스 카본 블랙 반응기가 연소 챔버 및 연소 챔버의 하류에 있는 목부 및 목부의 하류에 있는 반응 챔버 및 반응 챔버의 하류에 있는 켄칭 구역을 갖고, 제1 카본 블랙 공급원료가 퍼니스 카본 블랙 반응기의 연소 챔버에서 주입되고 저-수율 카본 블랙 공급원료가 목부에서 주입되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 퍼니스 카본 블랙 반응기가 연소 챔버 및 연소 챔버의 하류에 있는 목부 및 목부의 하류에 있는 반응 챔버 및 반응 챔버의 하류에 있는 켄칭 구역을 갖고, 제1 카본 블랙 공급원료가 상기 목부에서 주입되고 저-수율 카본 블랙 공급원료가 상기 목부 다음에서 주입되는 것인 방법.
- 제15항에 있어서, 퍼니스 카본 블랙 반응기가 상기 연소 챔버의 하류에서 그리고 상기 켄칭 구역의 앞에서 제2 목부를 포함하고, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 상기 제2 목부에서 주입되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료가 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료가 주입되는 위치보다 상류의 적어도 하나의 위치에서 그리고 상기 적어도 하나의 저-수율 카본 블랙 공급원료 위치보다 하류의 적어도 하나의 별도의 위치에서 상기 퍼니스 카본 블랙 반응기로 도입되는 것인 방법.
- 제17항에 있어서, 적어도 1종의 저-수율 공급원료가 주입되는 위치보다 먼저 도입되는 제1 카본 블랙 공급원료의 양이 제1 카본 블랙 공급원료의 총량의 50% 초과인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료가 적어도 2개의 별도의 위치에서 상기 퍼니스 카본 블랙 반응기로 도입되며, 여기서 별도의 위치 중 하나가 나머지 다른 것의 하류에 있는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료가 상기 제1 카본 블랙 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 50 wt% 미만의 비-고-수율 카본 블랙 공급원료를 포함하는 블렌드인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 1종의 제1 카본 블랙 공급원료가 상기 제1 카본 블랙 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 95 wt% 내지 100 wt%의 고-수율 카본 블랙 공급원료를 포함하는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 1종의 저-수율 카본 블랙 공급원료가 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료의 총 중량을 기준으로 하여 50 wt% 미만의 고-수율 카본 블랙 공급원료를 포함하는 블렌드인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 < 100의 상기 BMCI를 갖는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 >1.23의 상기 원자상 H:C 비를 갖는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 저-수율 카본 블랙 공급원료가 상온 및 상압에서 상기 기체인 방법.
- 제1항에 있어서, 회수된 상기 카본 블랙이 N110, N121, N220, N231, N234, N299, N326, N330, N339, N347, N351, N358, N375, N539, N550, N650, N660, N683, N762, N765, N774, N787, 또는 N990 등급 카본 블랙인 방법.
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