JP2000297230A - カーボンブラック製造装置及びカーボンブラックの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高温ガスを用いたカーボンブラックの製造にお
いて高温での安定な操業を可能にする製造装置を提供す
る。 【解決手段】 燃焼域、反応域、反応停止域を有するカ
ーボンブラックの製造装置であって、反応域が両端にフ
ランジを有する良熱伝導性の管体で構成され、燃焼域と
隣接するフランジと燃焼域を構成する耐火材との間に間
隙を有することを特徴とするカーボンブラック製造装
置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は充填材料、補強材
料、導電材料及び着色顔料などの種々の用途に用いられ
るカーボンブラックを製造する装置であって、新規且つ
有用な装置に関するのもである。詳しくは燃焼域、反応
域、反応停止域を有するカーボンブラック製造装置であ
って燃焼域と反応域との接合部位が特定の構造を有し、
１６００℃を越える高温の燃焼ガスを燃焼域で発生させ
反応域に導入しここでカーボンブラック生成反応を行う
のに好適な製造装置に関する。

【０００２】

【従来技術】カーボンブラックは顔料、充填剤、補強用
顔料、耐候性改善剤、及び導電材料などの用途に広く使
用されている。樹脂着色剤、印刷インキ、塗料において
着色剤として使用されるカーボンブラックは黒度、分散
性、光沢、着色力に優れたものが求められ、また主に自
動車用タイヤの補強剤として使用されるカーボンブラッ
クは耐摩耗性に優れたものが求められる。

【０００３】黒度、着色力はカーボンブラックの一次粒
子径への依存性が大きく、一次粒子径が小さくなるほど
高黒度となることが知られている。例えば黒度と一次粒
子径の関係は特開昭５０−６８９９２号公報に開示され
ている。また、このようなカーボンブラックはタイヤの
補強剤として使用された場合には、高度の耐摩耗性を示
すことが知られている。

【０００４】カーボンブラックの製法は一般に、円筒状
のカーボンブラック製造炉の燃焼域に、炉軸方向又は接
線方向に酸化含有ガスと燃料とを導入して、これらの燃
焼により得られた高温ガス流を、燃焼域に引き続いて設
置された反応域に移動させながら、該ガス流中に原料炭
化水素を導入してカーボンブラックを生成させ、さらに
反応域に引き続いて設置された反応停止域ではガス流を
急冷してカーボンブラック生成反応を停止させる、いわ
ゆるファーネス法が広く採用されている。小粒子径のカ
ーボンブラックを得るためには、まずチョーク部中の高
速ガス流中に原料炭化水素を噴霧し、ガスの運動及び熱
エネルギーを液状供給原料を霧化させることに利用し、
かつ反応部内の乱流混合により高温燃焼ガスの熱エネル
ギーを効率良くカーボンブラック生成の反応に利用する
事が効果的である事はよく知られている。

【０００５】

【本発明が解決しようとする課題】本発明者らは先に、
得られるカーボンブラックの物性には反応域の壁面の状
態が影響し、優れた物性のカーボンブラックを得るには
反応域壁面を平滑に保つことが有効であることを見出し
ている（特願平10-142523）。高温の燃焼ガス流を流通
させてカーボンブラック生成反応を行う反応域の壁面を
長期にわたって平滑に保つには、壁面を金属等の良熱伝
導性材料で構成し、さらに反応域の過熱による部材の破
損を防止し壁面の状態を維持すべく反応域構成部材を冷
却するために、周囲を冷却ジャケットで覆い、ここに冷
却媒体を流通することが有効である。一方、燃焼域は更
に高温の火炎を発生させる部位であり炉壁は耐火材で構
成される。このように燃焼域、反応域は各々に要求され
る構造が異なり、これら反応域と燃焼域とをフランジで
接続することになる。

【０００６】反応域をこのような構造とした場合、フラ
ンジの炉軸近傍の部分も冷却ジャケットで冷却され、反
応域を過熱から保護し形状を維持しうる条件で冷却を行
うとフランジの表面温度は約３００℃以下となる。これ
に対して隣接する燃焼域では反応域内に高品質のカーボ
ンブラックを得るのに必要な高温の燃焼ガス流を発生さ
せる必要があるため、耐火材の断面温度は２００〜１８
００℃前後にもなる。このような温度差のある部材どう
しを接合すると、温度差を原因とする耐火材の割れ、破
損、脱落等を引き起こす原因になる。また反応域の良熱
伝導性フランジと高温の燃焼ガス流が直接接触する部位
があると燃焼ガス流から該フランジへの熱移動量が増大
し、熱損失により燃焼ガス流は反応域内において必要な
高温を保てなくなる。 本発明は、上記課題を解決して
高温での安定な操業を可能にすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは上
記課題に鑑み、鋭意検討を重ねた。その結果、反応域と
燃焼域との接合部を特定の構造とすることにより、耐火
材の損傷が無く、安定した高温での炉操業が可能となる
ことを見いだし、本発明に到達した。すなわち本発明
は、（１） 燃焼域、反応域、反応停止域を有するカー
ボンブラックの製造装置であって、反応域が両端にフラ
ンジを有する良熱伝導性の管体で構成され、燃焼域と隣
接するフランジと燃焼域を構成する耐火材との間に間隙
を有することを特徴とするカーボンブラック製造装置、
（２） フランジと燃焼域を構成する耐火材との間の間
隙が３ｋｃａｌ／ｍｈｒ℃以下の断熱層である上記
（１）記載のカーボンブラック製造装置、（３） 燃焼
域を構成する耐火材の反応域側の内径が、反応域との接
合部において反応域の内径と同一もしくはより小さいこ
とを特徴とするカーボンブラック製造装置、（４） 上
記（１）〜（３）のいずれかに記載のカーボンブラック
製造装置内でカーボンブラック生成反応を行うことを特
徴とするカーボンブラックの製造方法、に存する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、燃焼域、反応域、反応停止域を含むカーボン
ブラックの製造装置に関するものである。燃焼域、反応
域、反応停止域からなるカーボンブラックの製造装置自
体は公知のものであり、公知の技術を適宜選択すること
ができる。図１に装置の全体構成の一例を表す。図中、
１は燃焼域、２は反応域、３は反応停止域、４は燃焼バ
ーナー、５は原料噴霧バーナー、６は反応停止流体導入
ノズル、７は冷却媒体入口ノズル、８は冷却媒体出口ノ
ズルである。反応域が両端にフランジを有する良熱伝導
性材料製の管体で構成されている。

【０００９】燃焼域の炉壁は耐火材から成るが、複数の
材質の異なる耐火材を層状に重ねて構成することによ
り、所望の熱勾配を達成させることができる。反応域は
燃焼域の最大流路断面より小さな流路断面を有し、良熱
伝導性材料製の管体内に燃焼域で発生した燃焼ガスを導
入し、ここにカーボンブラックの原料炭化水素を導入し
てカーボンブラック生成反応を行う。上記の良熱伝導性
材料製の管体内を最内管として有する二重管以上の多重
管で構成し、最内管を取り囲む管をジャケットとして冷
却媒体を流通して最内管を所望の温度に維持することが
できる。反応域を構成する管体は、その両端にフランジ
を有しており一般にはこのフランジで両側に存在する燃
焼域及び反応停止域と接続されている。反応域のフラン
ジは良熱伝導性材料製で構成され燃焼域及び反応停止域
の耐火材断面と隣接する構造を有する。

【００１０】なおここで良熱伝導性材料とは、具体的に
は５００℃における熱伝導率が１０kcal/mhr℃以上，２
０kcal/mhr℃以上，６０kcal/mhr℃以上，好ましくは１
４０kcal/mhr℃以上、より好ましくは３００kcal/mhr℃
以上、さらに好ましくは３３０kcal/mhｒ℃以上であ
る。材質としてより具体的には高熱伝導率の金属である
銅、アルミニウム、あるいはこれらを含有する合金等が
挙げられる。特に好ましくは、例えばリン脱酸銅等の高
純度銅等が挙げられる。

【００１１】本発明では、ここで燃焼域と隣接するフラ
ンジと燃焼域を構成する耐火材との間に間隙を有してい
る。これを、本発明の製造装置における反応域、反応域
と燃焼域との接合部及び反応域と反応停止域との接合部
を示す図２を用いて説明する。９は最内管に高温の燃焼
ガスが流れる二重管で構成された反応域である。二重管
は間に冷却媒体を流して反応域部材を冷却して過熱から
保護できる構造となっている。１０は燃焼域の鉄皮であ
り、１１は反応停止域の鉄皮であり、１２は繊維状の不
定形断熱材であり、１３は耐火材であり、１４は反応域
入口側フランジであり、１５は反応域出口側フランジで
あり、１６は反応域入口側フランジと接合される燃焼域
フランジであり、１７は反応域出口側フランジと接合さ
れる反応停止域フランジである。

【００１２】このように燃焼域と隣接するフランジと燃
焼域を構成する耐火材との間に間隙を有していることに
より操業中に燃焼側耐火材１３の急激な熱変化が抑制さ
れ、割れ、剥離等を防止することができる。

【００１３】この間隙には、図に示す装置においては空
気層１８が存在し、直接高温の耐火材と冷却された反応
域フランジとが直接接触しないようになっている。ここ
で間隙を有するとは、燃焼域を構成する炉壁と、反応域
の入口側フランジとが直接接触しない部分を有すること
を言い、空気層が存在している場合以外にも熱伝導率の
一定値以下の物質が存在していてもよい。すなわち、こ
の間隙には熱伝導率が３kcal/mhr℃以下の物質から成る
断熱層が存在していれば良い。間隙の熱伝導率は、より
好ましくは１kcal/ｍhr℃以下である。例えば、そのよ
うな材質としてはアルミナ繊維、シリカ繊維状の不定形
断熱層等が挙げられる。

【００１４】この断熱層の幅は、操業時に有接しなけれ
ば問題はないが、好ましくは１ｍｍから５０ｍｍであ
る。より好ましくは５ｍｍから４０ｍｍである。更に好
ましくは５ｍｍから３０ｍｍである。操業時に耐火材１
３が伸びて有接すると耐火材内面に応力が生じ、耐火材
の剥離、脱落の原因となるので好ましくない。また高温
の耐火材１３と耐火材に比べて温度の低いフランジ面が
有接し急激な熱移動が生じると耐火材１３の割れ、剥離
に繋がる。この幅が広すぎると高温のガスがこの間隙内
で対流し、一般に金属等で構成されるフランジ面１４か
らの熱移動量が増加し、反応に必要な高温ガス温度が低
下してしまうことになる。

【００１５】熱伝導率３kcal/mhr℃以下の断熱層として
は、具体的には空気層、アルミナ繊維、シリカ繊維等の
断熱層が挙げられる。反応域ではカーボンブラック生成
により燃焼ガスの温度が急低下するため、反応域出口フ
ランジ１５と反応停止域の耐火材面１３との間には間隙
を設けず一般的な不定形断熱材を間に施工しても良い。

【００１６】燃焼域を構成する耐火材の反応域側の内径
は、燃焼ガス流の流れの上流側に５００ｍｍ以内の範囲
において、反応域の内径と同一もしくはより小さくする
ことが望ましい。特に好ましくは上流側に３００ｍｍ以
内である。

【００１７】これを、図２を用いて説明する。反応域フ
ランジ１４の面と近接する耐火材１３の内径が反応域内
径より大きくなると、フランジ１４に直接高温の燃焼ガ
ス流が接触し、燃焼ガス流の対流が激しくなる。これに
よりフランジ１４の面からの熱移動量が増加し、反応に
必要な高温ガス温度が低下してしまうことになる。よっ
てフランジ面１４に直接高温ガスが当たらないように耐
火材１３の内径を同径か若干小径とする方が好ましい。

【００１８】燃焼域の反応域直近内径を反応域内径１９
と同等径にするかこれ以下にすることにより、高温ガス
流が直接フランジ面に接触しないようになり、当フラン
ジ部での交換熱量を低減できる。結果として反応域へ入
る前の燃焼ガス温度低下を抑制できる。反応域を金属等
の良熱伝導性材料の二重管で構成して冷却ジャケットに
より反応域部材の過熱を防止する場合には、フランジ部
も冷却されるので、フランジ面からの熱移動量が更に増
加するので、以上説明したように耐火材の内径を反応域
と同径か若干小径とすることは一層有用である。燃焼域
の内径を反応域の内径より小さくする程度としては、反
応域の内径の７０％から９７％程度小さくするのが好ま
しい。あまり小さくすると圧力損失が大きくなり炉を構
成する缶体が高圧仕様となり装置コストが高くなる。

【００１９】

【実施例】以下に本発明の実施例を挙げて説明するが、
本発明はこれに限定されるものではない。 （実施例１）図１に示す、装置は内径５００ｍｍ、長さ
１４００ｍｍの燃焼域、該燃焼域に連接され、周辺から
複数の原料ノズルを貫設した内径６０ｍｍ、長さ８００
ｍｍの良熱伝導性材料からなる反応域、クエンチ装置を
備えた内径１００ｍｍ、長さ６０００ｍｍの反応停止域
から成るカーボンブラック製造炉を設置した。

【００２０】図１に示すように反応域は良熱伝導性材料
から成る二重管構造であり管の間に冷却媒体を流通でき
るジャケット構造となっている。燃焼域と反応域との接
合部及び反応域の断面概略は図２に示すようになってお
り、燃焼域と反応域との接合部では、燃焼域内径は反応
域内径より６ｍｍ小さい。

【００２１】原料噴霧ノズルの位置は、反応域の入口か
ら１００ｍｍである。反応域の冷却ジャケットに流通す
る冷却媒体は水を用い、時間当たり１５ｍ³の冷却水を
ジャケット内に流すことにより反応域を冷却した。運転
中、燃焼域と反応域の接合部から３００ｍｍ上流の燃焼
域側の燃焼ガスの温度は１８７０℃であり、この部位で
の燃焼域の炉壁の温度は１７７０℃であった。この際の
反応域の燃焼域側のフランジ部の温度は最高３００℃で
あり、燃焼域炉壁とフランジとの温度差は、１４７０℃
もの温度差があった。また、反応域入口から１５０ｍｍ
下流の反応域での燃焼ガスの温度は１８１０℃と、燃焼
域より６０℃低い。

【００２２】上記の燃焼ガスの温度と炉壁の温度は以下
の方法により求めたものである。燃焼域の炉壁内の２箇
所Ａ点及びＢ点に熱電対を埋め込み（Ａ点は炉内壁面か
ら７５ｍｍ内側、Ｂ点は炉内壁面から２２０ｍｍ内側の
位置である）、コンピューターを用いてガスの流動と伝
熱の解析を実施し、炉内ガス温度及び炉内壁温度と測定
点（Ａ点及びＢ点）の温度の関係を明らかにし、温度シ
ミュレーションプログラムを作成した。

【００２３】燃焼域の炉壁はマグネシア・マグネシアク
ロムレンガ、ハイアルミナレンガ、断熱レンガ、断熱ボ
ード、鉄皮等から成り、これらの材質が使われている部
分の寸法を正確にモデル化し、これらの材質ね熱伝導率
の温度依存性を調べ、それぞれの物性値として入力して
シミュレーションプログラムの作成を行った。このシミ
ュレーションプログラムを用いて、熱電対で実測可能な
温度（１７８０℃）の燃焼ガス流を反応域に導入してシ
ミュレーション結果と反応域入口に埋め込んだ熱電対に
よる実測値とを照合したところ、シミュレーション結果
は実測値と差がなく、本シミュレーションプログラムの
有効性が検証された。

【００２４】この条件で６０日間の炉運転を実施した
後、反応域と接する燃焼域耐火材及び反応停止域耐火材
の状況を確認したところ、炉の構造上の強度を左右する
様な大きなクラックの発生、割れ、脱落もなく、両耐火
材面ともに再使用可能な接合面が確認できた。反応域入
口側のフランジ部分での熱損失が抑制され、反応域で所
望の高温ガス温度をプラス７０℃高くすることができ１
９４０℃の高温ガスを得ることができたものと考えられ
る。

【００２５】（実施例２）燃焼域と反応域との接合部に
おける燃焼域内径を反応域内径と同径とした以外は実施
例１で用いた製造炉と同様の製造炉を用いて同様の操作
で運転した。この条件のガス温度はであった。運転中、
燃焼域と反応域の接合部から３００ｍｍ上流の燃焼側で
の燃焼ガスの温度は１９４０℃、この部位での燃焼域の
炉壁の温度は１８２０℃であった。この際の反応域の燃
焼域側のフランジ部の温度は最高３００℃であり、燃焼
域炉壁と１５２０℃もの温度差があった。反応域内入口
から１５０ｍｍ下流側の反応域での燃焼ガスの温度は１
８７６℃であった。６０日間の炉運転を実施した後、反
応域と接する燃焼域耐火材及び反応停止域耐火材の状況
を確認したところ、炉の構造上の強度を左右する様な大
きなクラックの発生、割れ、脱落もなく、両耐火材面と
もに再使用可能な接合面が確認できた。

【００２６】

【発明の効果】高温の反応域を維持するために冷却構造
を設けた反応域のフランジ部と接する高温の燃焼域の耐
火材を、フランジ部との大きな温度差にもかかわらず、
割れ、欠け等を発生することなく安定して炉の運転を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造装置の全体構成の一例を示す図

【図２】本発明の製造装置における反応域、反応域と燃
焼域との接合部及び反応域と反応停止域との接合部を示
す図

【符号の説明】

１：燃焼域 ２：反応域 ３：反応停止域 ４：燃焼用バーナー ５：原料油導入ノズル ６：反応停止流体導入ノズル ７：冷却媒体入口ノズル ８：冷却媒体出口ノズル

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼域、反応域、反応停止域を有するカ
   ーボンブラックの製造装置であって、反応域が両端にフ
   ランジを有する良熱伝導性の管体で構成され、燃焼域と
   隣接するフランジと燃焼域を構成する耐火材との間に間
   隙を有することを特徴とするカーボンブラック製造装
   置。
2. 【請求項２】 フランジと燃焼域を構成する耐火材との
   間の間隙が３ｋｃａｌ／ｍｈｒ℃以下の断熱層である請
   求項１記載のカーボンブラック製造装置。
3. 【請求項３】 燃焼域を構成する耐火材の反応域側の内
   径が、反応域との接合部において反応域の内径と同一も
   しくはより小さいことを特徴とするカーボンブラック製
   造装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のカーボ
   ンブラック製造装置内でカーボンブラック生成反応を行
   うことを特徴とするカーボンブラックの製造方法。