KR960010308B1

KR960010308B1 - 카본 블랙의 제조 방법

Info

Publication number: KR960010308B1
Application number: KR1019930702558A
Authority: KR
Inventors: 브루스. 에드윈 맥케이; 마크 알란 윌킨슨; 배리 존 야츠
Original assignee: 캐보트 코포레이션; 헤리제이, 귄넬
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1992-02-20
Publication date: 1996-07-30
Also published as: AR245759A1; ES2060471T3; JPH06505298A; WO1992015646A1; HU216098B; US5190739A; RU2110542C1; AU660133B2; MY140221A; JP2614965B2; CA2100350A1; HU9302429D0; EP0573546A1; TW266222B; EP0573546B1; RO115529B1; BR9205681A; CZ173993A3; CN1042737C; HUT66677A

Abstract

내용 없음

Description

[발명의 명칭]

카본 블랙의 제조 방법

[도면의 간단한 설명]

제 1 도는 본 발명의 카본 블랙 제조에 사용될 수 있는 퍼니스 카본 블랙 반응기의 한 종류에 대한 부분 횡단면도이다.

[발명의 상세한 설명]

본 출원은 1991년 2월 27일에 출원된 미합중국 특허 출원 제07/661,741호의 일부-계속 출원이다.

[발명의 분야]

본 발명은 카본 블랙의 제조 방법에 관한 것이다.

[발명의 배경]

본 발명은 고무 및 플라스틱 중에 충전재, 안료 및 강화제와 같은 많은 분야에서 중요하게 사용되는 퍼니스 블랙(furnace black)의 제조에 관한 것이다. 일반적으로, 이들 블랙의 페니스 제조 방법은 천연가스 또는 접촉 분해 장치 순환 원료 등의 탄화수소 공급 원료를 1255K(1800℉) 이상 온도의 밀폐된 전환 영역에서 크래킹 및(또는) 불완전 연소시켜 카본 블랙을 제조하는 것으로 이루어진다. 전환 영역에서 방출되는 가스 중에 연행된 카본 블랙은 이어서 냉각되어 당 업계에서 통상적으로 사용되는 적당한 수단에 의해 포집된다. 그러나, 어떤 특정 공급원료를 사용하여 통상적으로 얻은 것보다 더 저급의 구조 및 표면적 특성을 갖는 퍼니스 블랙을 제조하는 것은 아주 어렵고 통상적으로 상업적으로 실행 가능하지 않다.

따라서, 본 발명의 일차적인 목적은 주어진 표면적에서 보통 이하의 구조 및 주어진 총 연소 수준에서 보통 이하의 표면적을 갖는 카본 블랙의 신규하고 개선된 방법을 제공하는 것이다.

본 명세서에서 언급되고, 당 업자들에게 공지된 바와 같이, 총 연소는 카본 형성 공정에 사용된 탄화수소의 총량을 완전 연소시켜 이산화탄소 및 물을 형성하는데 필요한 산화제의 양에 대한 카본 형성 공정에 사용된 공기와 같은 산화제의 총량을 나타낸다. 총 연소는 통상적으로 백분율로 표시된다.

또한, 선행 기술로서는 보조 탄화수소 첨가를 포함하는 다음과 같은 방법들이 공지되어 있지만, 하기 하는 바와 같이 본 발명의 방법과는 다르다.

미합중국 특허 제2,782,101호에 기재된 방법에서는 보조 탄화수소를 탄화수소 공급 원료와 혼합하기 전에 송풍 화염 가스의 산화 성분을 중화시키는데 사용한다. 이 특허의 방법과 구별되는 바와 같이, 본 발명에서는 보조 탄화수소를 고온의 송풍 화염 가스의 산화 성분을 중화시키는데 사용하지 않는다. 반면에, 본 발명에 있어서, 보조 탄화수소는 본질적으로 미반응 형태로 반응 영역에 유입된다.

또한, 본 발명의 방법은, 보통 이상의 고급 구조를 갖는 블랙을 제조하기 위해 보조 탄화수소를 다단계 공정에 도입시키는 미합중국 특허 제3,952,087의 방법과도 상이하다. 이 특허의 운전 조건하에서 보조 탄화수소를 첨가하고 반응기로 유입되는 공급 원료의 유속을 감소시킴으로써 표면적을 일정하게 유지시킬 경우, 구조가 증가하여 이하에서 정의하는 구조 감도 지수(SSI)가 0 이상이 된다. 반면에, 본 발명의 방법에서는 보통 이하의 구조 및 표면적 수준을 갖는 블랙을 제조하기 위해서 구조 감도 지수가 0미만 이어야 한다. 미합중국 특허 제3,952,087호의 특허권자의 목적은 SSI가 항시 0보다 큰 조건 하에서 운전하는 것이고, 반면에 본 발명의 목적은 SSI가 항시 0미만인 조건 하에서 운전하는 것이다.

카본 형성 공정에 있어서 SSI는 동일한 표면적을 갖지만 보조 탄화수소를 첨가하지 않고 카본 블랙을 제조하는 동일한 카본 형성 공정에 대하여, 그와 같이 제조된 카본 블랙의 구조를 감소시키기 위하여 그 공정에 주입하는 보조 탄화수소의 능력의 척도이다. 구체적으로, 구조 감도 지수(SSI)는 하기 방정식으로 정의된다 :

식 중, SAS_mf는 추가 공급 원료가 도입되었을 경우의 카본 블랙 제조 공정의 구조면적 감도(SAS)를 나타내고, SAS_ah는 보조 탄화수소가 도입되었을 경우의 카본 블랙 제조 공정의 SAS를 나타낸다. 구조 면적 감도는 하기 방정식을 사용하여 계산한다.

식 중, △DBP는 단일 운전 조건의 변화에 따른 카본 블랙의 DBPA의 변화를 나타내고, △요오드가는 단일 운전 조건하에서의 동일한 변화, 예를 들면, 공급 원료 또는 보조 탄화수소 유속이 변화되었을 때의 카본 블랙의 요오드 흡착가의 변화를 나타낸다. SAS는 표면적 변화가 구조에 미치는 영향을 양으로 나타낸 것이다.

본 명세서에 사용된 보조 탄화수소라는 용어는 공급 원료의 수소 대 탄소의 몰비보다 더 큰 수소 대 탄소 몰비를 가진 수소 또는 탄화수소를 나타낸다. 탄화수소의 예로서는 이하에서 연료 및(또는) 공급 원료로서 사용하기에 적합한 것으로 열거되는 물질들을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 방법은 카본 블랙의 입자 크기에는 영향을 미치지 않고 독립적으로 구조를 변화시킬 목적으로 공급 원료가 동시에 도입되는 영역에 보조 가스가 첨가되는 미합중국 특허 제2,985,511호에 기재된 방법과 상이하다. 반면에, 본 발명의 방법에서는 표면적이 감소된다. 표면적의 감소는 통상적으로 입자 크기의 증가와 관련이 있고, 따라서 본 발명의 방법에 따른 블랙의 입자 크기가 증가되는 것이 설명된다.

본 발명에 따르면, 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 보조 탄화수소를 특정 카본 형성 공정에 첨가하고, 1차 연소율 및 총 연소율을 조절하여 SSI가 0미만의 되도록 함으로써, 상기 목적 및 그 밖의 목적을 달성할 수 있음이 발견되었다. 보조 탄화수소는 적당한 방법으로 본 발명의 카본 블랙 형성 공정에 도입되며, 다만, 미반응 보조 탄화수소는 본 명세서에서 반응 영역으로 정의되는 공정중의 한 위치에 유입된다. 이 용어, 반응 영역은 미리 도입되어 혼합되고 분무 및 증기화된 탄화수소 공급 원료가 그 순간에 주 카본 형성 반응을 거쳐 카본 입자를 형성하는 카본 형성 공정 중의 한 영역을 의미한다. 더욱 구체적으로, 본 명세서에서 언급하고 있는 본 발명의 방법에 있어서의 반응 영역은 탄화수소 공급 원료의 주입 위치에서 출발하여 그 하류의 카본 블랙의 형성 공정이 급냉에 의해 종료되는 지점까지 연장되는 지점을 나타내나. 바람직하게는, 이 보조 탄화수소가 주입되는 영역은 공급 원료 주입점 상류의 약 0.5 반응기 직경 길이로부터 공급 원료 주입점 하류의 약 0.5 반응기 직경 길이까지 연장된다. 본 발명을 실시함에 있어서, 보조 탄화수소는 편리한 방식, 예를 들면 가스 스트림의 유동방향에 대해 축 방향, 횡 방향, 또는 접선 방향으로 오리피스를 통해 방출되는 방식으로 공정 스트림에 주입될 수 있다. 또한, 공정에서 보조 탄화수소가 도입되는 지점은 보조 탄화수소가 궁극적으로 카본 블랙 입자를 생산할 수 있도록 아직 충분히 산화 또는 반응되지 않은 형태를 의미하는 본질적으로 미반응 형태로 반응 영역에 도달하는 한 중요하지 않다. 바람직한 실시태양에서, 보조 탄화수소는 가스상이고, 공급 원료가 외주부(外周部)로부터 횡 방향으로 고온의 제1단계 가스 스트림 중으로 주입되는 축 방향 평면에서 외주부로부터 횡 방향으로 카본 형성 공정 중에 도입된다.

본 명세서에서 카본 블랙과 관계하여 사용된 구조라는 용어는 카본 블랙의 1차 특성을 정의한다. 일반적으로, 당 업계에서는 이 용어를 블랙의 1차 입자의 응집 정도를 나타내는데 사용한다. 모든 블랙은 다소의 1차 입자 응집 정도를 나타내기 때문에, 특성 블랙은 그와 같이 나타낸 상대 응집도에 따라 저급, 보통급, 또는 고급 구조로 분류된다. 저급 보통급, 또는 고급 구조로 분류하는데 따른 정의는 일반적으로 잘 정립되어 있지 않다. 통상적으로 블랙의 구조는 입자가 입자-사슬을 형성하려는 경향이 강할 경우 고급으로 간주된다. 반면에, 블랙의 구조는 1차 입자의 응집체 형성 경향이 약할 경우 저급으로 간주된다. 카본 블랙의 구조 특성의 직접적인 측정도 가능하나 블랙의 구조 결정에 동일하게 신뢰성 있고 더욱 용이한 방버은 블랙의 오일 흡착 특성을 측정하는 것임이 입증되었다. 이는 당업계에서 인정되고 ASTM 시험 방법 D-2414-72 : 카본 블랙의 디부틸 프탈레이트 흡착가로 지정된 것이 바로 이런 유형의 블랙의 구조 특성을 결정하는 오일 흡착 기술 형태이다. 요약하면, 이 시험 과정은 미합중국, 뉴저지주 싸우산 해켄삭 소재의 씨. 더블유. 브라벤더 인스트루먼츠. 인크., (C. W. Brabender Iustrument, Inc.)에 의해 제조 판매되는 브라벤더-캐보트 흡착 측정기 중의 솜털 또는 펠릿 형태의 카본 블랙 샘플에 디부틸 프탈레이트(DBP)를 첨가하고, 사용된 디부틸 프탈레이트의 용적을 측정하는 것으로 이루어진다. 값은 카본 블랙 100그램 당 디부틸 프탈레이트(DBP)의 입방 센티미터 또는 밀리미터로 표시된다. 본 발명에서는 블랙의 구조 결정 목적으로 디부틸 프탈레이트를 사용하는 이 오일 흡착 기술을 사용하였다.

본 발명의 방법은 카본 블랙 생산 공급 원료를 하류 방향으로 유동하는 고온 가스의 예비 형성 스트림에 총 당 30.5미터(100피트/초) 이상, 바람직하게는 초당 152.5미터(500피츠/초) 이상의 평균 선형 속도로 실질적으로 횡 방향으로 주입시킴으로써 수행될 수 있다. 공급 원료는 스트림의 외주부로부터 제 1 단계 가스에 횡 방향으로 주입될 수 있고(있거나, 또는) 공급 원료는 제 1 단계 가스 스트림의 중심 부근의 한 위치로부터 실질적으로 축 방향 및(또는) 횡 방향으로 주입될 수 있다.

본 발명의 방법의 본질적인 특성은 앞에서 정의한 바와 같은 구조 감도 지수(SSI)가 0미만인 1차 연소 및 총 연소 수준 체제로 운전된다는데 있다. 다른 본질적인 특성은 보조 탄화수소가 본질적으로 미반응 상태로 반응 영역에 유입되고, 그결과 SSI가 0미만이 되도록 보조 탄화수소를 다단계 카본 형성 공정에 도입한다는 점이다. 앞에서 언급한 바와 같이, 여기에서 반응 영역은 탄화수소 공급 원료의 주입 위치에서 출발하여 그 하류의 카본 블랙 형성 공정이 급냉에 의해 종료되는 지점까지 전형적으로 연장되는 지점에 위치한다. 이 공정의 결과로서, 생성된 카본 블랙은 주어진 표면에서 5% 이상의 디부틸 프탈레이트 흡착가의 감소로서 표시되는 저급 구조 수준 및 주어진 총 연소율에서 3% 이상의 요오드 흡착가의 감소로 표시되는, 저 표면적을 나타낸다.

본 명세서에 있어서, 1차 연소율은 제 1 단계 탄화수소를 완전 연소시켜 이 산화탄소 및 물로 전환시키는데 필요한 산화제의 이론적인 양에 대한 다단계 공정이 제 1 단계에서 사용된 공기와 같은 산화제의 양을 나타낸다. 편의상, 1차 연소율은 백분율로 표시된다. 제 1 단계에 탄화수소가 공급되지 않는 경우 1차 연소는 무한대(∞%)이다. 적합한 탄화수소 및 산화제에 대해서는 이하에서 기재한다.

본 발명의 카본 블랙 생산에 사용되는 고온의 제 1 단계 가스의 제조에 있어서는, 액체 또는 가스상 연료와 적당한 산화제 스트림, 예를 들면 공기, 산소, 공기와 산소의 혼합물 등을 적당한 연소실에서 반응시키는 것이 바람직하다. 연소실에서 산화제 스트림과 반응시켜 고온의 제 1 단계 가스를 제조하는데 사용하기에 적합한 연료로서는 가연성이 큰 가스, 증기, 또는 액체 스트림, 예를 들면 수소, 일산화탄소, 메탄, 아세틸렌, 알콜, 케로센을 들 수 있다. 그러나, 일반적으로 탄소 함유 성분, 특히 탄화수소의 함량이 높은 연료를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 천연 가스 및 개질 또는 부화 천연 가스와 같은 메탄이 풍분한 스트림은 탄화수소, 예를 들면 각종 탄화수소 가스 및 액체 및 에탄, 프로판, 부탄, 및 펜탄 분류물을 포함하는 정제 부산물, 연료유 등을 다량 함유하는 다른 스트림과 마찬가지로, 양호한 연료이다. 또한, 바람직한 다단계 퍼니스 공정중의 제 1 단계에서는 산화제로서 전형적으로 최대 1088K(1500℉)의 온도로 예열된 공기가 사용되며, 1차 연소 불꽃을 발생시키는 연료로서는 천연 가스가 사용된다. 1차 연소율은 100% 내지 ∞%일 수 있지만, 바람직한 1차 또는 제 1 단계 연소율은 약 140 내지 약 1000%이다.

이런 방식으로 30.5m/sec를 초과하는 평균 속도로 유동하는 고온 가스 스트림이 발생된다. 또한, 연소실과 반응실 사이의 압력 차는 최소한 6.9kPa(1.0p.s.i), 바람직하게는 10.3kPa 내지 68.9kPa(1.5 내지 10p.s.i)인 것이 좋은 것으로 밝혀졌다. 이런 조건 하에서, 카본 블랙 생산용 탄화수소계 공급 원료를 목적하는 카본 블랙 제품으로 전환시키기에 충분한 에너지를 함유한 가스상 스트림이 생성된다. 제 1 단계에서 유출된 생성된 가스는 적어도 590K(600℉), 가장 바람직하게는 적어도 1144K(1600℉) 이상의 온도에 이른다. 이 고온 가스는 필요에 따라 통상적인 벤튜리 드로우트와 같이 테이퍼되거나 좁아질 수 있는 보다 작은 직경의 밀폐된 공급 원료 주입 단계로 이 가스를 도입함으로써 하류 방향으로 추진되고 가속화된다. 공급 원료가 우선적으로 고온의 제 1 단계 가스 스트림에 주입되는 것은 공정의 제 2 단계로 간주될 수 있는 공정의 이 시점에서이다. 별법으로, 공급 원료는 제 1 단계 연소(일어났다면)가 완료된 시점 이후의 어떤 시점에도 주입될 수 있다.

더욱 구체적으로, 제 1 단계 가스가 고속으로 이동하고, 적어도 6.9kPa(1.0p.s.i) 이상의 가스 운동 헤드가 존재하는 제 2 단계에서, 적합한 카본 블랙 생산 탄화수소 공급 원료는 소정의 침투를 달성함으로써, 제 1 단계 가스 및 탄화수소 공급 원료를 고속으로 혼합 및 전단하기에 충분한 압력하에 제 1 단계 가스에 주입된다. 반응 조건 하에서 쉽게 증발될 수 있는 탄화수소 공급 원료로서 본 발명 방법에 사용하기에 적합한 것은 불포화 탄화수소, 예를 들면 아세틸렌 ; 올레핀, 예를 들면 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 ; 방향족, 예를 들면 벤젠, 톨루엔 및 크실렌 ; 특정 포화 탄화수소 ; 및 기타 탄화수소, 예를 들면 케로센, 나프탈렌, 테르펜, 에틸렌 타르, 방향족 고리 연료유 등이다. 공급 원료는 고온의 제 1 단계 가스 스트림의 외주부로부터 제 1 단계 가스 스트림의 내부 영역으로 침투되는 다수의 응집성 또는 분무 스트림의 형태로 실질적으로 횡 방향에서 주입될 수 있다. 별법으로, 공급 원료는 고온의 제 1 단계 가스 스트림의 내주부로부터 하나 또는 다수의 응집성 또는 분무 스트림 형태로 실질적으로 축 방향으로 또는 횡 방향으로 주입될 수 있다. 본 발명을 실시함에 있어서, 탄화수소 공급 원료는 바람직하게는 소정의 침투 및/또는 분무를 달성하기에 충분한 주입 압력하에서, 액상 공급 원료를 직경 0.25cm 내지 0.508cm(0.01 내지 0.20인치), 및 바람직하게는 0.51cm 내지 0.381cm(0.02 내지 0.15인치)의 다수의 오리피스를 통해 밀어냄으로써 액체 스트림으로서 도입된다. 공급 원료의 사용량은 그 카본 형성 공정에 대해 약 10 내지 약 60퍼센트 및 바람직하게는 약 15 내지 약 35퍼센트의 총 연소율이 얻어지도록 사용된 연료 및 산화제 양에 따라 조절될 것이다.

다단계 공정의 제 3 단계는 급냉에 의해 반응을 종결시키기 전에 일어나는 카본 형성 반응에 대하여 충분한 체류 시간을 허용할 수 있는 반응 영역의 제공을 포함한다. 일반적으로, 각 경우에 있어서의 체류 시간은 특정 조건 및 목적하는 특정 블랙에 따라 달라지지만, 본 발명의 방법에 있어서, 체류 시간은 1밀리세컨드 이하, 또는 그 미만에서부터 약 500밀리세컨드 이상까지 변한다. 따라서, 카본 형성 반응이 소정의 시간 동안 진행된 후에, 1개 이상의 분무 노즐로부터 유출되는 물과 같은 급냉액을 그 위에 분무시킴으로써 반응을 종결시킨다. 이어서, 현탁된 카본 블랙 생성물을 함유하는 고온의 유출 가스는 카본 블랙을 냉각, 분리 및 수집하는 통상적인 단계의 하류로 통과시킨다. 가스 스트림으로부터 카본 블랙의 분리는 침전기, 사이클론 분리기, 백 필터, 또는 이들을 병용하는 통상적인 수단에 의해 쉽게 완수된다.

본 발명의 기타 다른 목적, 잇점 및 특성은 하기 상세한 설명 및 특허 청구의 범위를 고려하면 당 업자들에게 명백해질 것이다.

[발명의 요약]

본 발명의 방법은 다단계 카본 형성 공정의 반응 영역에 보조 탄화수소를 첨가하고, 이 공정의 SSI가 0미만이 되도록 1차 연소율 및 총 연소율을 조절하므로써 수행된다. 구조 감도 지수의 수학적 특성은 보조 탄화수소를 첨가하고 공급 원료를 제거하여 카본 블랙의 표면적을 일정하게 유지하고, DBPA에 의해 측정된 구조가 감소되고, 모든 다른 투입량을 일정하게 유지하면서 추가의 공급 원료를 공정 중에 도입하여 저 표면적 블랙이 생산된다면, SSI는 반드시 0미만이어야 한다는 것이다. 또한, 0미만의 SSI를 갖기 위한 상기 조건이 DBPA에 의해 측정된 구조가 증가하는 것을 제외하고는 만족된다면, SSI는 필수적으로 0이상이다.

본 발명의 목적상, 보조 탄화수소가 본질적으로 미반응 상태로 반응 영역에 도달하는 한 임의량의 보조 탄화수소를 사용할 수 있다. 일반적으로, 보조 탄화수소로서 탄화수소를 사용하는 경우에, 사용된 보조 탄화수소의 C%는 반응물의 총 탄소 함량의 약 60중량%미만이고, 보조 탄화수소로서 수소를 사용하는 경우에는 사용된 보조 탄화수소의 H%는 반응물의 총 수소 함량의 약 60%중량 미만이다. 바람직하게는 보조 탄화수소로서 가스상 탄화수소를 사용하는 경우에, 그 양은 첨가된 보조 탄화수소의 C%가 반응물의 총 탄소 투입량의 30% 미만, 바람직하게는 15% 미만이 되는 양이 될 것이며, 보조 탄화수소로서 수소를 사용하는 경우에, 그 양은 첨가된 보조 탄화수소의 H%가 반응물의 총 수소 투입량의 30% 미만, 바람직하게는 15% 미만이 되는 양이다.

본 발명의 방법에 사용되는 보조 탄화수소의 양은, 가스 형태 또는 액체 형태이든지 간에, 보조 탄화수소로서 수소를 사용하는 경우를 제외하고는 공정을 수행하는데 사용된 반응물의 총 탄소(C) 투입량의 백분율로 정의되며, 보조 탄화수소로서 수소를 사용하는 경우에는 보조 탄화수소의 양은 그 공정을 수행하는데 사용된 반응물의 총 수소(H) 투입량의 백분율로 정의한다. 구체적으로, 탄화수소에 있어서 사용된 보조 탄화수소의 양은 하기 방정식에 의해 결정된다 :

이 방정식에서, 반응물의 총 탄소 투입량은 제 1 단계 반응물 탄소 투입량, 공급원료의 탄소 투입량 및 보조 탄화수소의 탄소 투입량의 합을 나타낸다. 보조 탄화수소가 수소인 경우, 사용된 보조 탄화수소의 양은 하기 방정식에 의해 결정된다.

이 방정식에서, 반응물의 총 수소 투입량은 제 1 단계 반응물의 수소 투입량, 공급원료의 수소 투입량 및 보조 탄화수소의 수소 투입량의 합을 나타낸다.

본 발명은 하기 실시예를 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다. 물론, 일단 본 발명이 완전히 개시되면, 당 업자들에게 명백히질 본 발명의 많은 다른 형태가 있으며, 따라서 이들 실시예는 단지 예시 목적으로 주어진 것으로서, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않는다는 것을 인정할 것이다.

[발명의 상세한 설명]

제 1 도는 본 발명의 방법의 가능한 일 실시태양을 도시한 것이다. 앞에서 설명한 바와 같이 도면에 카본 블랙 반응기의 한 종류를 부분적으로 도시하였지만, 본 발명은 카본 블랙이 탄화수소의 열분해 및(또는) 불완전 연소에 의해 제조되는 어떠한 다단계 카본 블랙 퍼니스 반응기에도 사용될 수 있다.

제 1 도를 참조하여, 본 발명의 방법은, 수렴 직경(11)의 영역을 갖는 연소 영역(10), 전이 영역(12), 입구부(18), 및 반응영역(19)를 갖는 퍼니스 카본 블랙 반응기(2) 중에서 수행될 수 있다. 최대로 수렴 직경(11)의 영역이 시작되는 지점까지의 연소 영역(10)의 직경은 D-1로, 영역(12)의 직경은 D-2로, 계단식 입구부(18)의 직경은 D-4, D-5, D-6 및 D-7로, 영역(19)의 직경은 D-3으로 나타낸다. 최대 수렴 직경(11)의 영역이 시작되는 지점까지의 연소 영역(10)의 길이는 L-1로 나타내고, 수렴 직경 영역의 길이는 L-2로 나타내고 ; 전이 영역의 길이는 L-3으로 나타내고, 반응기 입구부(18)의 계단들의 길이는 L-4, L-5, L-6 및 L-7로 나타낸다.

본 발명의 방법은 이하에서 더욱 구체적으로 확인 및 정의되는 4개의 반응기 입부구(18)을 선택적으로 사용하여 실시한다.

본 발명의 방법에 따라 카본 블랙을 제조하기 위해서는, 고온 연소 가스를 액체 또는 가스상 연료를 적합한 산화제 스트림, 예를 들면 공기, 산소, 공기와 산소의 혼합물 등과 접촉시킴으로써 연소 영역(10)에서 발생시킬 수 있다. 별법으로, 예열된 산화제 스트리믈 액체 또는 가스상 연료를 첨가하지 않고 연소 영역(10)을 통과시킬 수 있다. 고온 가스를 발생시키기 위해 연소 영역(10)에서 산화제 스트림과 접촉시키는데 사용하기에 적합한 연료로서는 쉽게 연소할 수 있는 가스, 증기, 또는 액체 스트림, 예를 들면 천연 가스, 수소, 일산화탄소, 메탄, 아세틸렌, 알콜, 또는 케로센 등이 있다. 그러나, 일반적으로 탄소 함유성분, 구체적으로 탄화수소의 함량이 높은 연료를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 카본 블랙을 제조하기 위해 사용된 공기와 천연 가스의 비율은 천연 가스가 제 1 단계에서 공급되지 않는 경우 10:1에서 무한대일 수 있다. 고온 가스의 발생을 촉진하기 위해서 산화제 스트림을 예열시킬 수 있다.

고온 가스 스트림은 영역(10) 및 (11)로부터 그 하류의 영역(12), (18) 및 (10)으로 유동한다. 고온 가스의 유동 방향은 도면에 화살표로 표시하였다. 카본 블랙 생산용 공급 원료(30)은 지점(32)(영역(12)에 위치함), 및(또는) 지점(70)(영역(11)에 위치함)에서 도입된다. 반응 조건 하에서 용이하게 증발될 수 있는 카본 블랙 생산용 탄화수소 공급 원료로서 본 발명에 사용하기에 적합한 것으로서는 불포화 탄화수소, 예를 들면 아세틸렌 ; 올레핀, 예를 들면 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌 ; 방향족, 예를 들면 벤젠, 톨루엔 및 크실렌 ; 특정 포화 탄화수소 ; 및 기타 탄화수소, 예를 들면 케로센, 나프탈렌, 테르펜, 에틸렌 타르, 방향족 고리 원료 등을 들 수 있다.

수렴 직경(11) 영역의 단부로부터 지점(32)까지의 거리는 F-1로 나타낸다. 일반적으로, 카본 블랙 생산용 공급 원료(30)은 빠르고 완전하게 분해되어 공급 원료를 카본 블랙으로 전환시킬 수 있도록 고온의 제 1 단계 가스 및 카본 블랙 생산용 공급 원료의 고속 혼합 및 전단을 보장하기 위해 고온의 제 1 단계 가스 스트림의 내부 영역으로 침투하는 다수의 스트림 형태로 주입된다.

보조 탄화수소는 탐침(72) 또는 카본 블랙 형성 공정의 영역(12)의 경계를 형성하는 벽에 있는 보조 탄화수소의 통로(75) 또는 카본 블랙 형성 공정의 영역(18) 및(또는) (19)의 경계를 형성하는 벽에 있는 보조 탄화수소의 통로(76)을 통해 지점(70)에서 도입된다. 본 발명을 실시함에 있어서, 보조 탄화수소는 연료가 제 1 단계에서 공급되는 경우, 제 1 단계 연료의 초기 연소 반응 직후의 지점과 카본 블랙의 형성 종료 직전의 지점 사이의 한 축 방향 위치에서 도입될 수 있으며, 다만, 미반응 보조 탄화수소는 결국 반응 영역으로 유입된다. 지점(32)에서 지점(70)까지의 거리는 H-1로 나타낸다.

본 명세서에 기재된 실시예에서, 보조 탄화수소는 4가지 방법, 즉 카본 블랙 생산, 공급 원료 스트림을 둘러싸는 다수의 스트림으로(75) ; 카본 블랙 생산 1차 공급 원료가 도입되는 축 방향 평면상의 1차 카본 블랙 생산 공급 원료 기동들 사이에 위치하는 영역(12)의 외주부에서의 다수의 스트림으로 (75) ; 공급 원료 주입축 방향 평면에서 영역(12)의 중심부 가까이에 위치한 다수의 횡단 스트림으로 (70) ; 및 탄소 제조 공정의 영역(18)의 주변부에서 다수의 스트림으로 (76) 도입된다. 그러나, 이들은 단지 예시적인 것으로, 보조 탄화수소를 도입하는데 이용할 수 있는 방법이 이들로 제한되는 것은 아니다.

카본 블랙 생산 공급 원료 및 고온의 제 1 단계 가스의 혼합물은 영역(12)를 통해 영역(18) 및 이어서 영역(19)로 하류 방향으로 유동한다. 지점(62)에 위치하여 냉각수 50(물일 수 있음)을 주입하는 급냉(60)은 카본 블랙이 형성되었을 때 화학 반응을 중지시키기 위해 사용된다. 지점(62)는 열 분해를 정지시키기 위한 급냉 위치를 선택하기 위해 당업계에 공지된 어떠한 방법에 의해서도 결정할 수 있다. 열분해를 정지시키기 위한 급냉 위치를 결정하는 하나의 방법은 카본 블랙에 대해 허용 가능한 톨루엔 추출 수준이 도달되는 지점을 결정하는 것이다. 톨루엔 추출 수준은 ASTM 시험 D1618-83 : 카본 블랙 추출 가능물-톨루엔 변색을 사용하여 측정할 수 있다. Q는 영역(18)의 지점에서부터 급냉 지점(62)까지이 거리로서, 급냉(60) 위치에 따라서 달라질 수 있다.

고온의 제 1 단계 가스와 카본 블랙 생산 공급 원료의 혼합물을 급냉시킨 후에, 냉각된 가스를 하류의 통상적인 냉각 및 분리 수단으로 통과시킴으로써 카본 블랙을 회수한다. 가스 스트림으로부터 카본 블랙의 분리는 통상적인 수단, 예를 들면 침전기, 사이클론 분리기 또는 백 필터에 의해 쉽게 달성된다. 분리한 후에, 예를 들면, 습식 펠릿기를 사용하여 펠렛화한다.

본 발명에 의해 제조된 블랙의 분석 및 물리적 특성의 평가에는 하기 시험과정을 사용하였다.

요오드 흡착기(I2 No.)-이것은 ASTM D-1510-70에 따라 측정하였다.

카본 블랙의 디부틸 프탈레이트 흡착가(DBPA)-이것은 상기 ASTM 시험 방법 D-2414-72에 의하여 측정한다. 기록된 결과는 비펠릿 형태의 카본 블랙에 대한 것이다.

본 발명의 효과 및 잇점은 하기 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명될 것이다.

[실시예]

본 발명의 효과를 입증하기 위해서, 본 명세서에 실재적으로 기재되고 제 1도에 기하학으로 도시된 반응기 안에서 카본 블랙 제조 공정으로 실험을 실행하였다. 하기 실시예에서는 4개의 반응기 입구부(18)을 사용하였다. 이하에서는 이들 반응기 입구부는 표 1에 기록되고 제 1 도에 도시된 치수를 가진 반응기 입구부 A, B, C 및 D로 구분된다.

[표 1]

실시예에 사용된 반응기 입구부 18.

실시예 1 내지 37에서 보조 탄화수소는 천연 가스이었다. 실시예 1 내지 45에서 연소 반응용 1차 연료는 천연 가스이었다. 모든 실시예에서 카본 블랙 제조 곶엉에 공급된 천연 가스의 온도는 약 298K(77℉)의 실온이었다. 실시예 1 내지 40에서 사용된 액체 공급 원료는 표 2의 두번째 컬럼에 기록된 전형적인 특성을 가진 시판되고 있는 공급 원료이다. 실시예 41 내지 45에서 사용된 액체 공급 원료는 표 2의 세번째 컬럼에 기록된 전형적인 특성을 가진 시판되고 있는 공급 원료이다.

[표 2]

1차 공급원료의 특성

표 3의 실시예 1 내지 13에서 다른 공정 유속은 일정한 상태에서 보조 탄화수소를 첨가함에 따라 표면적 및 구조가 감소되는 본 발명을 증명한다. 이들 실시예에서는 두가지 1차 연소 수준 및 보조 천연 가스를 도입하는 두가지 방법을 예시한다.

[실시예 1-5]

먼저 실시예 1 내지 5를 고려하면, 제 1 단계로 유입되는 천연가스의 유속은 0.016SCMS(2.15KSCFH)이며, 연소 공기의 유속은 0.634SCMS(85KSCFH)이며, 연소공기의 예비 가열 온도는 755K(900℉)이었다. 얻어진 1차 연소 수준은 약 400퍼센트로 산정되었다. 실시예 1은 대조예로서, 카본 블랙 생산 공급 원료를 연소 가스 스트림의 외주부에 위치한 4개의 0.206cm(0.081인치) 직경 오리피스(32)를 통해 고온의 제 1 단계 연소 가스 생성 스트림에 1.9×10^-4m³/s(181gph)의 유속으로 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 얻어진 총 연소율은 28.3 퍼센트로 산정되었다. 공급 원료 주입점의 약 7.93 미터(26피트) 하류지점에서 물로 급냉·종료시켰다. 72mg/g의 요오드 흡착가 및 141cc/100g의 DBPA를 갖는 카본 블랙이 얻어졌다. 실시예 2에서, 운전 조건은 공급 원료의 속도를 2.05×10^-4m³/s(195gph)로 증가시켜 실시예 2에서 총 연소율을 26.4퍼센트로 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 1에 사용된 것과 동일하였다. 이렇게 제조된 카본 블랙의 요오드 흡착가는 60mg/g까지 감소하였고 DBPA는 실질적으로 영향을 받지 않았다. 실시예 3에서는, 공급 원료의 유속을 실시예 1에서와 같이 1.9×10^-4m³/s(181gph)로 일정하게 유지시켰으나, 보조 천연 가스를 공급 원료 주입 축 방향 평면상의 공급 원료 스트림 사이에 위치한 4개의 0.635cm(0.25인치) 직경 오리피스(75)를 통해 0.018SCMS(2.4KSCFH)의 유속으로 도입시킴으로써, 실시예 2에서와 동일한 총 연소율을 얻었다. 실시예 2의 결과와 비교하면, 요오드 흡착가가 43mg/g으로 보다 많이 감소하였고, DBPA는 125cc/100g으로 감소하였다. 표 4의 경우 A에 기록된 -5.65의 SSI는 실시예 1 내지 3의 요오드 흡착가 및 DBP 값으로부터 계산하였다.

실시예 4에서는 공급 원료의 유속을 2.14×10^-4m³/s(203gph)까지 증가시키므로써 총 연소율을 25.4퍼센트까지 더 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 1의 운전 조건을 사용하였다. 실시예 5에서는 공급 원료 주입 축 방향 평면상의 공급 원료 스트림 사이에 위치한 4개의 0.635cm(0.25인치) 직경 오리피스(75)를 통해 보조 천연 가스 0.025SCMS(3.4KSCFH)를 대신 첨가함으로써 실시예 4와 동일한 총 연소율을 얻었다. 실시예 5에서 보조 천연 가스의 첨가는 실시예 1에 대한 요오드 흡착가를 실시예 4에서의 공급 원료의 첨가에 비해 약 2배 만큼 감소시키고, DBPA를 실시예 1에 비해 15cc/100g 감소시킨 반면에, 추가로 공급 원료를 도입했을 때 실시예 1에 비해 실시예 4에서 DBPA가 3cc/100g 증가하였다. 이들 운전 조건에 대응되는 SSI는 표 4의 경우 B에 기록된 바와 같이 -3.50이다.

[실시예 6-9]

실시예 6 내지 9에서는755K(900℉)로 예열된 공기 0.447SCMS(60KSCFH)및 천연 가스 0.014SCMS(1.88KSCFH)를 약 298K(77℉)의 실온에서 카본 블랙 제조 공정의 제 1 단계에 도입하였다. 얻어진 1차 연소율은 325%로 산정되었다. 실시예 6 및 7은 보조 천연 가스없이 두가지 총 연소율에서 이루어진 대조예를 나타낸다. 실시예 6에서는 카본 블랙 생산 공급 원료를 연소 가스 스트림의 외주부에 위치한 4개의 0.206cm(0.081인치) 직경 오리피스(32)를 통해 1.43×10^-4m³/s(136gph)의 속도로 고온 연소 가스의 생성 스트림에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 얻어진 총 연소율은 26.1 퍼센트이고, 반응을 공급 원료 주입 위치의 7.93미터(26피트) 하류 지점에서 물로 급냉·종료시켰다. 생성된 카본 블랙은 요오드 흡착가 77mg/g 및 DBPA 183cc/100g을 갖는 것이었다. 실시예 7에서는 모든 다른 운전 조건은 일정하게 유지하면서, 공급 원료 유속을 1.60×10^-4m³/s(152gph)로 증가시키므로써 총 연소율이 23.5퍼센트로 감소되고, 따라서 요오드 흡착가는 55mg/g으로 감소되고, DBPA는 190cc/100g로 증가하였다. 실시예 8에 사용된 운전조건은 공급 원료 주입 평면상의 공급 원료 스트림 사이에 위치한 4개의 0.635cm(0.25인치) 직경 오리피스(75)를 통해 실질적으로 횡 방향으로 보조 천연 가스 0.025SCMS(3.4KSCFH)를 도입함으로서 실지예 8의 총 연소율을 22.8퍼센트까지 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 6에 사용한 운전 조건과 동일하다. 생성된 카본 블랙의 요오드 흡착가는 30mg/g이고, DBPA는 168cc/100g이었다. 실시예 9에서는 보조 천연 가스 0.039SCMS(5.2KSCFH)를 실시예 8에서와 동일한 방식으로 첨가하였다. 생성된 카본 블랙은 요오드 흡착가 16mg/g 및 DBPA 148cc/100g을 갖는 것이었다. 실시예 6 및 7에 기입된 결과를 사용하여 SAS_mf를 계산하고 실시예 6의 결과와 실시에 8 및 9에 기입된 결과를 사용하여 표 4에 기재된 SAS_ah값을 계산하였다. 이어서, 이들 SAS 값들을 사용하여 표 4의 경우 C 및 D에 기입된 SSI 값을 계산하였다. 표 4에 기입된 SSI값은 0 미만이다.

[실시예 10-13]

실시예 10 내지 13은 본 발명의 방법이 카본 블랙 형성 공정에 보조 탄화수소를 첨가하는 위치에 상대적으로 둔감하다는 것을 보여준다. 이들 실시예에서는 755K(900℉)로 예열된 공기 0.44SCMS(60KSCFH) 및 천연 가스 0.011SCMS(1.52KSCFH)를 약 298K(77℉)의 실온에서 장치의 연소 영역에 도입하였다. 얻어진 1차 연소율은 400퍼센트로 산정한다. 실시예 10은 대조예로서, 카본 블랙 생산 공급 원료를 연소 가스 스트림의 외주부에 위치한 4개의 0.226cm(0.089인치) 직경 오리피스(32)을 통해 생성된 고온 연료 가스 스트림에 1.63×10^-4m³/s(155gph)의 속도로 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 그 결과 총 연소율은 23.5퍼센트로 산정되며, 반응은 공급 원료 주입 평면의 약 7.93미터(26피트) 하류 지점에서 물로 급냉·종료시켰다. 생성된 카본 블랙은 요오드 흡착가 48mg/g 및 DBPA 179cc/100g을 갖는 것이었다. 실시예 11에서는 공급 원료의 유속을 1.53×10^-4m³/s(145gph)로 감소시켜 총 연소율을 25.1퍼센트까지 증가시킴으로써, 요오드 흡착가 59mg/g 및 DBPA 169cc/100g인 카본 블랙을 제조하였다. 실시예 12에서는, 보조 천연 가스 0.011SCMS(1.5KSCFH)를 본 발명에 따른 카본 블랙 형성 공정의 제 3 단계의 원주 둘레로 균등하게 이격되고, 공급 원료 주입 평면의 약 25.4cm(10인치) 하류에 위치한 9개의 0.257cm(0.101인치) 직경 오리피스(76)을 통해 실질적으로 횡 방향으로 도입함으로써 총 연소율을 22.2퍼센트까지 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 10에 사용한 것과 동일한 운전 조건을 사용하였다. 실시예 12의 조건하에서는 요오드 흡착가 34mg/g 및 DBPA 165cc/100g인 카본 블랙이 제조되었다. 실시예 13에서는 보조 천연 가스의 유속을 0.022SCMS(3.05KSCFH)로 더 증가시켜 20mg/g의 요오드 흡착가와 139cc/100g로 감소된 DBPA를 갖는 카본 블랙을 제조하였다. 이들 실시예로부터 얻어진 SSI값은 표 4의 경우 E 및 F에 기재된 바와 같이 0 미만이다.

[표 3]

운전 조건 및 카본 블랙의 분석 특성

m=미터 ; cm=센티미터 ; kPa=킬로파스칼 ; K=켈빈 ; K+=칼륨 ; n.a.=적용될 수 없음 ; SCMS=표준 입방 미터/초(273K, 101.3kPa) ; gK+/m³오일=그램 K+/공급 원료(오일)의 m³

[표 4]

주 : 실시예로 표지된 1행 및 3행에 기입된 숫자는 각각 2행 및 4행에 기입된 SAS 값을 계산하는데 사용된 실시예에 대응한다. 이어서, SAS 값을 5행에 나타낸 SSI 값을 계산하는데 사용하였다.

실시예 14 내지 27은 본 발명을 다양한 보조 탄화수소 주입 방법을 사용하고 다양한 1차 및 총 연소율의 운전 조건으로 실시하였을 경우 SSI가 0미만 임을 입증한다. 이들 실시예에서, 카본 블랙 표면적을 감소시키는 경향이 있는 보조 탄화수소를 첨가하고, 동시에 카본 블랙 표면적을 증가시키는 경향이 있는 공급 원료의 유속을 감소시키므로써, 요오드 흡착가를 거의 일정하게 유지한다. 모든 경우에, DBPA로 측정되는 구조는 공급 원료 대신에 보조 탄화수소를 첨가하였을 때 감소한다. 또한, 모든 다른 유속 및 반응기 배치를 일정하게 유지하면서 공급 원료를 제거하여 요오드 흡착가에 의해 측정했을 때 더 큰 표면적이 얻어진다. 따라서, 0 미만인 SSI 값을 보증하는 상기 수학적 조건은 실시예 14 내지 27에 사용된 모든 반응기 운전에 의해 충족된다.

[실시예 14-17]

특히, 표 5에 기재된 실시예 14 내지 17에서는 755K(900℉)로 예열된 공기 0.447SCMS(60KSCFH) 및 천연 가스 0.011SCMS(1.52KSCFH)를 약 298K(77℉)의 실온에서 카본 블랙 형성 공정의 제 1 단계에 도입하였다. 실시예 14에서는 카본 블랙 생산 공급 원료를 연소 가스 스트림의 외주부에 위치한 6개의 0.127cm(0.050인치) 직경 오리피스(32)를 통해 실질적으로 횡 방향에서 1.65×10^-4m³/s(157gph) 속도로 생성된 고온 연소 가스의 스트림에 도입하였다. 공급 원료 중의 칼륨 농도는 아세트산칼륨 수용액을 첨가시키므로써 0.74g/m³(0.3/100gal)로 유지하였다. 얻어진 총 연소율을 23.4퍼센트로 산정하고, 반응은 공급 원료 주입 평면의 7.93미터(26피트) 하류 지점에서 물로 급냉·종료시켰다. 실시예 14의 운전 조건에 의해 요오드 흡착가 35mg/g 및 DBPA 130cc/100g의 카본 블랙이 제조되었다. 이 블랙은 보조 탄화수소를 첨가하지 않았기 때문에 대조예로서 여기에 사용한다.

실시예 15 내지 17에서는 보조 탄화수소를 첨가하고 공급 원료의 유속을 감소시켜 요오드 흡착가를 거의 일정하게 유지시키면서 보조 탄화수소의 C(탄소)%를 0(대조군)으로부터 순차적으로 2.6%, 6.0% 및 10.4%까지 증가시킨 것을 제외하고는 모든 면에서 실시예 14의 과정을 따랐다. 보조 탄화수소는 공급 원료 팁 둘레에서 천연 가스의 외장(75) 형태로 첨가하였다. 실시예 15에서는 공급 원료의 유속을 1.44×10^-4m³/s(137gph)로 감소시키고, 보조 탄화수소 0.007SCMS(1.0KSCFH)를 첨가함으로써 보조 탄화수소의 C%를 2.6%까지 증가시켰다. 그 결과 총 연소율은 23.4에서 25.0퍼센트로 증가하였다. 실시예 16에서는 공급 원료의 유속을 1.29×10^-4m³/s(123gph)로 감소시키고, 보조 천연 가스 유속을 0.016SCMS(2.2KSCFH)로 증가시킴으로써 표면적을 거의 일정하게 유지시킨 반면에 총 연소율은 26.2퍼센트까지 증가시켰다. 실시예 17에서는, 공급 원료의 유속을 1.09×10^-4m³/s(104gph)까지 더 감소시키고, 보조 천연 가스의 속도를 0.025SCMS(3.4KSCFH)까지 더 증가시킴으로써 총 연소율을 28.2퍼센트까지 증가시켰다. 실시예 14 내지 17의 결과는 보조 천연 가스의 백분율이 증가함에 따라, DBPA가 대조예인 실시예 15의 130cc/100g으로부터 112, 110 및 100cc/100g로 계속적으로 감소됨을 입증한다. 상기 논의된 바와 같이, 이들 반응기의 운전에 대한 SSI 값은 수학적으로 0 미만임이 증명되었다.

[실시예 18-19]

실시예 18은 대조예로서, 카본 블랙 생산 공급 원료를 고온 연소 가스 스트림의 외주부에 위치한 4개의 0.226cm(0.089인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 1.63×10^-4m³/s(155gph) 속도로 생성된 고온 연소 가스 스트림에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 실시예 18에 사용된 제 1 단계 연소 조건은 실시예 14에 사용된 것과 동일하였다. 공급 원료중의 칼륨 농도는 아세트산 칼륨 수용액을 첨가함으로써 13.2g/m³(5.0g/100gal)로 유지하였다. 그 결과 총 연소율은 23.5퍼센트로 산정되며, 반응은 공급 원료 주입 평면의 7.93미터(26피트) 하류지점에서 물로 급냉·종료시켰다. 요오드 흡착가 49mg/g 및 DBPA 101cc/100g의 표준 카본 블랙을 제조하였다. 실시예 19에서도 공급 원료의 속도를 1.35×10^-4m³/s(128gph)로 감소시키고, 보조 탄화수소 0.011SCMS(1.5KSCFH)를 공급 원료 주입 평면상의 공급 원료 스트림 사이에 위치한 4개의 0.635cm(0.25인치) 직경 오리피스(75)를 통해 실질적으로 횡 방향으로 도입하여 요오드 흡착가를 일정하게 유지하면서, 보조 탄화수소의 C%를 실시예 18의 0에서부터 4.0퍼센트까지 증가시켰다. 이 방식으로 일정한 요오드 흡착가에서 C%의 증가는 실시예 18의 대조예보다 약 23포인트 낮은 78cc/100g의 DBPA를 갖는 카본 블랙을 제조하였다.

[표 5]

운전 조건 및 카본 블랙의 분석 특성

표 6에 기재된 실시예 20 내지 27은 실시예 1 내지 19에 사용된 것보다 낮은 1차 연소율도 SSI가 0 이하인 조건하의 본 발명의 방법을 실시하는데 적합하다는 것을 보여준다.

[실시예 20-25]

실시예 20 내지 25에서는 250%의 1차 연소율로 운전하면서 보조 천연 가스의 유속을 증가시키고, 동시에 공급 원료의 속도를 감소시킴으로써 일정한 요오드 흡착가에서 저급 구조 카본 블랙을 제조한다. 실시예 20은 대조예로서, 755K(900℉)로 예열된 공기 0.634SCMS(85KSCFH) 및 천연 가스 0.026SCMS(3.5KSCFH)를 약 298K(77℉)의 실온에서 제 1 단계에 도입하였다. 그 결과 1차 연소율은 250퍼센트로 산정되었다. 카본 블랙 생산 공급 원료를 고온 연소 가스 스트림의 외주부에 위치한 4개의 0.206cm(0.081인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 2.49×10^-4m³/s(237gph)의 속도로 생성된 고온 연소 가스 스트림에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 공급 원료 중의 칼슘 농도는 아세트산 칼륨 수용액을 첨가하므로써 26.93g/m³(10.2g/100gal)로 유지시켰다. 그 결과 총 연소율은 21.1퍼센트로 산정되며 반응은 공급 원료 주입 평면의 약 7.93미터(26피트) 하류 지점에서 물로 급냉·종료시켰다. 요오드 흡착가 49mg/g 및 DBPA 122cc/100g의 기준 카본 블랙을 얻었다. 실시예 21에서는 보조 천연 가스 0.036SCMS(4.8KSCFH)를 첨가하고 동시에 표면적으로 거의 일정하게 유지하기 위해 공급 원료의 속도를 1.74×10^-4m³/s(165gph)로 감소시킴으로써 보조 탄화수소의 C%를 9.2%로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예 20의 과정을 따랐다. 보조 탄화수소는 공급 원료 주입 평면상의 공급 원료 스트림 사이에 위치한 4개의 0.635cm(0.25인치) 직경 오리피스(75)을 통해 실질적으로 횡 방향으로 첨가하였다. 생성된 카본 블랙은 DBPA 76cc/100g으로 측정된 바와 같은 구조를 갖는다.

실시예 22는 공급 원료의 속도를 2.22×10^-4m³/s(211gph)로 감소시켜 산정된 총 연소율이 23.5퍼센트로 증가된 것을 제외하고는 실시예 20의 조건 하에서 수행한 대조예이다. 이 운전은 요오드 흡착가 60mg/g 및 DBPA 102cc/100g의 기준 카본 블랙을 제조하였다. 실시예 23에서는 보조 천연 가스의 유속을 0.031SCMS(4.1KSCFH)로 증가시키고, 공급 원료의 속도를 1.63×10^-4m³/s(155gph)로 감소시켜 보조 탄화수소의 C%를 8.4%로 증가시키면서 요오드 흡착가는 거의 일정하게 60mg/g으로 유지하였다. 보조 천연 가스는 공급 원료 주입 평면상의 공급 원료 스트림 사이에 위치한 4개의 0.635cm(0.25인치) 직경 오리피스(75)에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 그 결과 총 연소율은 27%로 산정되었다. 이렇게 제조된 카본 블랙의 구조는 79cc/100g으로 감소되었다.

실시예 24의 대조예에서는 실시예 20과 동일한 운전 조건을 대략적으로 사용 수행하여 요오드 흡착가 47mg/g 및 DBPA 122cc/100g을 갖는 유사한 카본 블랙을 제조하였다. 실시예 25에서는 공급 원료의 유속을 2.03×10^-4m³/s(193gph)로 감소시킴으로써 일정한 요오드 흡착가를 유지하면서, 보조 천연 가스 0.022SCMS(2.9KSCFH)를 중심부에 위치한 탐침(72) 둘레에 균등하게 이격된 6개의 0.345cm(0.13 6인치) 직경 오리피스를 통해 실질적으로 횡 방향으로 첨가함으로써 보조 탄화수소의 C%를 5.0퍼센트로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예 24의 조건을 사용하였다. 생성된 카본 블랙은 100c/100g의 DBPA를 갖는 것이었다.

[표 6]

운전 조건 및 카본 블랙의 분석 특성

[실시예 26-27]

표 7의 실시예 26 및 27은 1차 연소율 147%에서의 본 발명을 증명한다. 실시예 26에서는 755K(900℉)로 예열된 공기 0.447SCMS(60KSCFH) 및 천연 가스 0.031SCMS(4.2KSCFH)을 약 298K(77℉)의 실온에서 제 1 단계 연소 영역에 도입하였다. 카본 블랙 생산 공급 원료를 고온의 연소 가스 스트림의 외주부에 위치하는 4개의 0.18 5cm(0.073인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 1.64×10^-4m³/s(156gph)의 속도로 생성된 고온 연소 가스의 스트림에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 공급 원료 중의 칼슘 농도는 아세트산 칼륨 수용액을 첨가하므로써 43.82g/m³(16.6g/100gal)로 유지시켰다. 그 결과 총 연소율은 21.2퍼센트로 산정되었으며, 반응은 공급 원료 주입 평면의 약 7.93미터(26피트) 하류 지점에서 물로 급냉·종료시켰다. 요오드 흡착가 61mg/g 및 DBPA 122cc/100g의 기준 카본 블랙이 제조되었다. 실시예 27에서는 공급 원료의 유속을 9.79×10^-5m³/s(93gph)로 감소시켜 요오드 흡착가를 일정하게 유지하면서, 보조 천연 가스 0.036SCMS(4.8KSCFH)를 공급 원료 주입 축 방향 평면상의 공급 원료 스트림 사이에 위치하는 4개의 0.635cm(0.25인치) 직경 오리피스(75)를 통해서 실질적으로 횡 방향으로 도입시켜 보조 탄화수소의 C%를 14.2퍼센트로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예 26의 운전 조건을 사용하였다. 생성된 카본 블랙의 DBPA는 99cc/100g로 감소되었다.

[표 7]

운전 조건 및 카본 블랙의 분석 특성

표 8에 기재된 실시예 28 내지 37은 공급 원료의 분무 또는 주입 방법에 무관하게 0미만인 SSI를 제조하는 본 발명의 능력을 입증한다. 실시예 28 내지 32는 실질적으로 횡 방향에서의 압축 분무 공급 원료 주입을 사용하는 본 발명의 방법을 나타낸다. 실시예 33 내지 37은 실질적으로 축 방향에서의 압축 분무 공급 원료 주입을 고려한 것이다. 이들 실시예는 요오드 흡착가 및 DBPA를 감소시킴에 있어서 공급 원료의 주입과 보조 탄화수소 첨가를 비교한 것이다.

[실시예 28-32]

실시예 28 내지 32에서는 755K(900℉)의 공기 0.447SCMS(60KSCFH) 및 천연 가스 0.011SCMS(1.52KSCFH)을 약 298K(77℉)의 실온에서 제 1 단계에 도입하였다. 그 결과 1차 연소율은 400%로 산정되었다. 이들 실시예에서, 카본 블랙 생산 공급 원료는 공정에 유입되는 공급 원료에 각속도 성분을 나누어 줌으로써 분무를 용이하게 하는 회전 인서어트가 각각 장착된 4개의 0.079cm(0.031인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 실시예 28, 29 및 31에서, 보조 탄화수소의 첨가없이 공급 원료의 유속 변화에 대한 표면적 및 구조의 반응을 보여주기 위해서 공급 원료의 유속을 1.26×10^-4m³/s(120gph)로부터 1.40×10^-4m³/s(133gph), 1.54×10^-4m³/s(146gph)로 각각 증가시켰다. 실시예 30 및 32에서는, 보조 천연 가스를 제 1 단계 연소 가스 스트림의 외주부에 위치한 4개의 0.635cm(0.25인치) 직경 오리피스(75)를 통해서 각각 0.015SCMS(2.0KSCFH) 및 0.029SCMS(3.9KSCFH) 유속으로 도입하였다. 공급 원료의 유속은 1.26×10^-4m³/s(120gph)로 일정하였으며, 이것은 실시예 28에 사용된 유속이다.

실시예 28 내지 32로부터 얻어진 SSI를 표 9의 경우 G 및 H에 기재한다. SSI는 0미만이었으며, 이것은 분무 또는 응집된 공급 원료 스트림이 반응 영역에 유입되는가의 여부에 무관하게 본 발명을 실시할 수 있음을 입증하는 것이다.

[실시예 33-37]

실시예 33 내지 37에서는 각각 공급 원료를 본 발명의 방법의 제 2 단계의 축 방향 중간점으로부터 약 0.25cm(10인치) 들어간 탐침(72)의 단부로부터 방출되는 0.305cm(0.120인치) 직경 압축 분무 오일 팁(70)을 통해서 공정에 실질적으로 축을 따라 하류 방향으로 주입시킨 것을 제외하고는 실시예 28 내지 32의 과정을 반복하였다. 오일 팁은 미합중국 펜실바니아주 필라델피아 소재의 모나크 매뉴팩쳐링(Monarch Manufacturing)사에서 구입한 모나크 분무 팁 번호 F-94-120-45이었다.

실시예 33 내지 37에서 얻어진 SSI는 표 9의 경우 I 및 J에 기재되어 있다. SSI값은 0 미만이고, 이것은 축 방향 또는 횡 방향 공급 원료 스트림이 반응 영역에 유입되는 것과 무관하게 본 발명을 수행할 수 있음을 나타낸다. 또한, 상업적인 어떠한 다른 공급 원료 주입 및 분무 방법도 본 발명과 함께 사용되기에 적합할 것이며, 따라서 본 발명은 공급 원료를 카본 형성 공정에 도입하는 특정 방법에 제한되지 않는 것으로 기대된다.

[표 8]

운전 조건 및 카본 블랙의 분석 특성

[표 9]

구조 감도 등급

주 : 실시예로 표시된 1행 및 3행에 기입된 숫자는 각각 2행 및 4행에 기입된 SAS 값을 계산하는데 사용된 실시예에 대응한다. 이어서, SAS 값을 5행에 나타낸 SSI 값을 계산하는데 사용하였다.

[실시예 38-40]

표 11의 실시예 38 내지 40은 보조 탄화수소로서 경질 액체 탄화수소를 사용하는 본 발명의 방법을 나타낸다. 액체 탄화수소는 디젤 D-2형으로 명명되고 하기 표 10에 기재된 전형적 특성을 갖는 시판되고 있는 디젤 연료이다.

[표 10]

액체 보조 탄화수소의 특성(D-2 디젤 연료형)

이들 실시예에서는 755K(900℉)로 예열된 공기 0.634SCMS(85KSCFH) 및 천연 가스 0.016SCMS(2.16KSCFH)을 약 298K(77℉)의 실온에서 연소 영역내에 도입하였다. 그 결과 1차 연소율은 400퍼센트로 산정되었다. 실시예 38은 대조예로서, 카본 블랙 생산 공급 원료를 연소 가스 스트림의 외주부에 위치하는 4개의 0.206cm(0.081인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 1.9×10^-4m³/s(181gph)의 속도로 영역 12에서 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 그 결과 총 연소율은 28.2퍼센트로 산정되었으며, 반응은 공급 원료 주입 평면의 약 7.93미터(26피트) 하류 지점에서 물로 급냉·종료시켰다. 생성된 카본 블랙은 요오드 흡착가 70mg/g 및 DBPA 150cc/100g을 갖는 것이었다. 실시예 39에서는, 작동 조건이 혼합된 공급 원료와 디젤 연료 스트림을 카본 형성 공정에 도입하기 전에 디젤 연료를 4.53×10^-5m³/s(43gph) 속도로 공급 원료 스트림과 혼합하므로써 실시예 39에서의 총 연소율을 23.6퍼센트까지 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 38에 사용된 것과 동일한 운전 조건을 사용하였다. 카본 블랙 생산 공급 원료 및 디젤 연료의 혼합물을 연소 가스 스트림의 외주부에 위치한 4개의 0.226cm(0.089인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 고온 연소 가스 스트림에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 이렇게 제조된 카본 블랙은 요오드 흡착가 31mg/g 및 DBPA 141cc/100g을 갖는 것이었다. 실시예 40에서는, 카본 블랙 생산 공급 원료의 유속을 2.21×10^-4m³/s(210gph)로 증가시켜 총 연소율을 24.5퍼센트로 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 38에 사용된 것과 동일한 운전 조건을 사용하였다. 실시예 40에서는 공급 원료를 연소 가스 스트림의 외주부에 위치한 4개의 0.226cm(0.089인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 이렇게 제조된 카본 블랙은 요오드 흡착가 45mg/g 및 DBPA 147cc/100g을 갖는 것이었다. 실시예 38 내지 40에 있어서 SAS 값으로부터 계산된 SSI 값은 표 12의 경우 K에 기재된 바와 같이 0 미만이다.

[표 11]

운전 조건 및 카본 블랙의 분석 특성

[표 12]

구조 감도 지수

주 : 실시예로 표지된 1행 및 3행에 기입된 숫자는 각각 2행 및 4행에 기입된 SAS값을 계산하는데 사용된 실시예에 대응한다. 이어서, SAS 값을 5행에 나타낸 SSI 값을 계산하는데 사용하였다.

[실시예 41-45]

표 13의 실시예 41 내지 45는 보조 탄화수소가 다른 일정한 공정 유속으로 첨가됨에 따라 표면적 및 구조가 감소하는 본 발명을 나타낸다. 이들 실시예에서는 755K(900℉)로 예열된 공기 0.101SCMS(13.5KSCFH) 및 천연 가스 0.003SCMS(0.348KSCFH)을 약 298K(77℉)의 실온에서 연소 영역에 도입하였다. 그 결과 1차 연소율은 400퍼센트로 산정되었다. 반응은 공급 원료 주입 평면의 약 4.9미터(16피트) 하류 지점에서 물로 급냉·종료시켰다.

실시예 41은 대조예로서, 카본 블랙 생산 공급 원료를 연소 가스 스트림의 외주부에 위치하는 3개의 0.102cm(0.040인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 2.65×10^-5m³/s(25.1gph)의 속도로 영역 12에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 그 결과 총 연소율은 32.0퍼센트로 산정되었다. 생성된 카본 블랙은 요오드 흡착가 92mg/g 및 DBPA 142cc/100g을 갖는 것이었다.

실시예 42에서는, 공급 원료 유속을 2.407×10^-5m³/s(22.8gph)로 감소시켜 실시예 42에서의 총 연소율을 35.0퍼센트로 증가시킨 것을 제외하고는 실시예 41에서 사용된 것과 동일한 운전 조건을 사용하였다. 카본 블랙 생산 공급 원료는 제 1 단계 연소 가스 스트림의 외주부에 위치하는 3개의 0.091cm(0.036인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 고온 연소 가스 스트림에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 이렇게 하여 생성된 카본 블랙은 요오드 흡착가 117mg/g 및 DBPA 153cc/100g을 갖는 것이었다.

실시예 43에서는 공급 원료 팁 둘레의 천연 가스의 외장(75) 형태로 보조 탄화수소를 첨가하므로써 총 연소율을 29.4퍼센트로 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 41에 사용된 것과 동일한 운전 조건을 사용하였다. 실시예 43에서는 천연 가스 0.003SCMS(0.37KSCFH)를 첨가하므로써 보조 탄화수소의 C%를 5.1%로 증가시켰다. 실시예 43에서 공급 원료는 연소 가스 스트림의 외주부에 위치하는 3개의 0.102cm(0.040인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 고온 연소 가스 스트림에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 이렇게 하여 생성된 카본 블랙은 요오드 흡착가 60mg/g 및 DBPA 121.8cc/100g을 갖는 것이었다. 실시예 41 내지 43에 대한 SAS 값으로부터 계산된 SSI 값은, 표 14의 경우 L에 기재된 바와 같이 0 미만이다.

실시예 44에서는 공급 원료 팁 둘레의 프로판 가스의 외장(75) 형태로 보조 탄화수소를 첨가시켜 총 연소율을 28.7퍼센트로 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 41에 사용된 것과 동일한 운전 조건을 사용하였다. 실시예 44에서는 프로판 가스 0.001SCMS(0.20KSCFH)를 첨가하므로써 보조 탄화수소의 C%를 8.0%로 증가시켰다. 실시예 44에서 공급 원료는 연소 가스 스트림의 외주부에 위치하는 3개의 0.102cm(0.040인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 고온 연소 가스 스트림에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 이렇게 하여 생성된 카본 블랙은 요오드 흡착가 49mg/g 및 DBPA 114cc/100g을 갖는 것이었다. 실시예 41, 42 및 44에 대한 SAS 값으로부터 계산된 SSI 값은 표 14의 경우 M에 기재된 바와 같이 0 미만이다.

실시예 45에서는 공급 원료 팁 둘레의 수소 가스의 외장(75) 형태로 보조 탄화수소를 첨가시켜 실시예 45의 총 연소율을 30.5퍼센트로 감소시킨 것을 제외하고는 실시예 41에 사용된 것과 동일한 운전 조건을 사용하였다. 실시예 45에서는 수소 가스 0.006SCMS(0.875KSCFH)를 첨가하므로써 보조 탄화수소의 H%를 2.1%로 증가시켰다. 실시예 45에서 공급 원료는 연소 가스 스트림의 외주부에 위치하는 3개의 0.102cm(0.040인치) 직경 오리피스(32)를 통해서 고온 연소 가스 스트림에 실질적으로 횡 방향으로 도입하였다. 이렇게 하여 얻어진 카본 블랙은 요오드 흡착가 77mg/g 및 DBPA 134cc/100g을 갖는 것이었다. 실시예 41, 42 및 45에 대한 SAS 값으로부터 계산된 SSI 값은, 표 14의 경우 N에 기재된 바와 같이 0 미만이다.

[표 13]

운전 조건 및 카본 블랙의 분석 특성

[표 14]

구조 감도 치수

선행 실시예들은 명확한 1차 연소 및 총 연소율의 조건 하에서, 보조 탄화수소를 본질적으로 미반응의 보조 탄화수소가 반응 영역에 유입되는 방식으로 본 발명에 따른 다단계 카본 블랙 형성 공정에 첨가하면, 공급 원료 또는 보조 탄화수소 첨가에 사용된 방법에 무관하게 공급 원료를 첨가하는 통상적인 방법에 의해 제조된 것보다 주어진 총 연소율에서 보다 낮은 표면적을 갖는 카본 블랙을 제조할 수 있음을 입증한다. 또한, 이들 실시예들은 본 발명에 따르면 주어진 표면적에 대해서 보통 이하의 구조를 갖는 카본 블랙를 제조할 수 있음을 입증한다. 여기에 정의된 바와 같이 보조 탄화수소 첨가 공정을 운전하면 SSI가 0 미만이다.

이상, 본 발명의 특정 실시태양에 관하여 기재하였지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 당업자들에게 명백한 변화 및 수정을 가할 수 있음을 이해해야 한다.

Claims

제 1 단계에서, 카본 블랙 생산용 탄화수소계 공급 원료를 카본 블랙으로 전환시키기에 충분한 에너지를 갖는 고온의 가스 스트림을 생성하고, 이 스트림을 제 2 단계로 추진시켜 이 제 2 단계에서 공급 원료를 상기 가스 스트림에 주입시키고, 후속 단계에서 급냉에 의해 카본 형성 반응을 종결시키기 전에 공급 원료를 카본 블랙으로 전환시키고, 이어서 생성된 카본 블랙을 냉각, 분리, 및 회수하는 주어진 표면적에서 보통 이하의 구조 및 주어진 총 연소율에서 보통 이하의 표면적을 갖는 퍼니스 카본 블랙의 다단계 제조 방법에 있어서, 대략 공급 원료의 주입점으로부터 급냉점 사이에 위치하는 반응 영역에 본질적으로 미반응의 보조 탄화수소를 도입하고, 그 순식간에 반응 영역에서는 공급 원료가 탄소 형성 반응을 수행하여 카본 입자를 제조하며, 하기 방정식으로 정의되는 구조 감도 지수(SSI)가 0미만이 되도록 1차 연소율 및 총 연소율을 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.

식중,

SAS_mf=△(DBP)_mf/△(요오드가)_mf; SAS_ah=△(DBP)_ah/△(요오드가)|_ah; ｜SAS_mf｜=SAS_mf의 절대값 ;

△(DBP)_mf=모든 다른 공정 운전 조건이 일정하게 유지되는 동안의 공급 원료의 유속 변화에 따른 카본 블랙의 DBPA 변화량 ;

△(요오드가)_mf=모든 다른 공정 운전 조건이 일정하게 유지되는 동안의 공급 원료의 유속 변화에 따른 카본 블랙의 요오드가의 변화량 ;

△(DBP)_ah=모든 다른 공정 운전 조건이 일정하게 유지되는 동안의 보조 탄화수소의 유속의 변화에 따른 카본 블랙의 DBPA의 변화량 ;

△(요오드가)_ah=모든 다른 공정 운전 조건이 일정하게 유지되는 동안의 보조 탄화수소의 유속의 변화에 따른 카본 블랙의 요오드가의 변화량.
제 1 항에 있어서, 제 1 단계에서 생성된 고온의 가스 스트림이 연료 및 산화제의 연소 생성물인 방법.
제 1 항에 있어서, 제 1 단계에서 생성된 고온의 가스 스트림이 산화제인 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 가스 형태인 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 액체 형태인 방법.
제 1 항에 있어서, 1차 연소율이 140% 내지 1000%인 방법.
제 1 항에 있어서, 공급 원료가 연소 가스에 실질적으로 축 방향으로 주입되는 방법.
제 1 항에 있어서, 공급 원료가 연소 가스에 실질적으로 횡 방향으로 주입되는 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 반응 영역에 실질적으로 횡 방향으로 주입되는 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 반응 영역에 실질적으로 축 방향으로 주입되는 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 고온의 연소 가스 스트림에 실질적으로 접선 방향으로 도입되는 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 공급 원료 주입점 전 약 0.5 반응기 직경 길이로부터 공급 원료 주입점 후 약 0.5 반응기 직경 길이까지 축 방향으로 연장되는 영역에 주입되는 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 탄화수소계이고 보조 탄화수소의 탄소 함량이 반응물의 총 탄소 함량의 약 60중량% 미만이 되는 양으로 도입되는 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 탄화수소계이고, 보조 탄화수소의 탄소 함량이 반응물의 총 탄소 함량의 약 30중량% 미만이 되는 양으로 도입하고, 보조 탄화수소가 가스 형태인 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 탄화수소계이고, 보조 탄화수소의 탄소 함량이 반응물의 총 탄소 함량의 약 15중량% 미만이 되는 양으로 도입되고, 보조 탄화수소가 가스 형태인 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 수소이고, 보조 탄화수소의 수소 함량이 반응물의 총 수소 함량의 약 60중량% 미만이 되는 양으로 도입되는 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 수소이고, 보조 탄화수소의 수소 함량이 반응물의 총 수소 함량의 약 30중량% 미만이 되는 양으로 도입되는 방법.
제 1 항에 있어서, 보조 탄화수소가 수소이고, 보조 탄화수소의 수소 함량이 반응물의 총 수소 함량의 약 15중량% 미만이 되는 양으로 도입되는 방법.