JPH02163170A - 高表面活性を有するカーボンブラックの製造装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、カーボンブラックの製造装置及び方法に関す
る。より詳細には、高表面活性を有するカーボンブラッ
クの製造方法及び反応装置に関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕カーボ
ンブラックの基本的な製造方法はよく知られている。一
般に、カーボンブラックは炭化水素原料（以下原料炭化
水素という）を、酸素を含んだ高温ガスに注入し、原料
炭化水素を部分的に熱分解した後に、水を噴霧して急冷
し、反応を停止させて製造される。燃焼室は円筒状の反
応装置と軸方向に連通しており、燃焼室内の高温ガスは
反応装置中を流れ、原料炭化水素は高温ガス流中へ導入
される。

カーボンブラックは当業者によく知られた様々の用途に
用いられている。カーボンブラックは第一に、自動車の
タイヤのゴム等の弾性化合物を強化するのに使用される
。カーボンブラックは又、インク、ペイント、プラスチ
ック、ゼオグラフィー用トナー、弾性化合物の黒色顔料
としても用いられる。

カーボンブラックには多くの物理的性質があり、これら
を変化させである種の用途に特に効果的であるような特
殊なカーボンブラックを製造することかできる。表面活
性はそのようなカーボンブラックの物理的性質である。

カーボンブラックの表面活性は、カーボンブラックが混
合される混合物あるいは化合物と物理的または化学的に
相互作用するカーボンブラックの能力として定義される
。

カーボンブラック粒子の全体の無秩序状態はカーボンブ
ラックの表面活性に影響する。カーボンブラックの全体
の無秩序状態が増加するにつれてカーボンブラックの表
面活性は増加する。カーボンブラック粒子はグラファイ
ト構造の炭素層をなしている。グラファイト構造の層が
、より不連続であり、グラファイト構造の層における構
造欠陥が多い程、カーボンブラックの全体の無秩序状態
及び表面活性を増加させる。カーボンブラック中の不対
電子、フリーラジカルの存在も又、カーボンブラックの
全体の無秩序状態と表面活性を増加させる。

カーボンブラック粒子のグラファイト層の露出した端部
における炭素に結合した水素の存在はカーボンブラック
の表面活性を増加させる。炭素に結合した水素は又、カ
ーボンブラック粒子の表面のグラファイト層が整列して
より連続的になるのを防ぐことにより、カーボンブラッ
クの無秩序状態を維持するのを助成する。炭素に結合し
た水素の存在とカーボンブラックの全体の無秩序状態は
第一に、スチレン−ブタジェンゴム（ＳＢＲ）、ブタジ
ェンゴム（ＢＲ）、天然ゴム（ＮＲ）のような高不飽和
弾性材におけるカーボンブラックの表面活性に寄与する
。これらのような強化弾性材に対するカーボンブラック
の能力は、一般にカーボンブラックの外表面のグラファ
イト層と弾性材間の物理的相互作用に負うと考えられて
いる。しかし又、カーボンブラック粒子の炭素に結合し
た水素は、混合中に弾性材に移動することが可能であり
、それによってカーボンブラック粒子の表面に弾性材と
共有結合するための活性部位が形成されることが論証さ
れている。カーボンブラックによる弾性材の強化により
、より大きな引裂抵抗、磨耗抵抗をもち、且つ、より容
易にエネルギーを消失する弾性化合物が得られる。

従来技術のカーボンブラック反応装置は通常、円筒状の
反応室の一端に軸方向に接続した円筒状の燃焼室を有す
る。しばしば反応チョークが反応室の他端に軸方向に接
続される。反応チョークの直径は実質的に反応室の直径
より小さい。反応チョークは反応室を出口室に接続させ
る。しばしば従来技術の反応装置においては、出口室の
直径はどこも同じ大きさであり実質的に反応チョークの
直径より大きく、出口室が反応チョークに接続されるた
めに反応チョークから出口室へ９０度に急に直径が広が
る。

これらの急に直径が広がる反応装置の操作中、高温ガス
流が反応室とチョークを通過する時に原料炭化水素が高
温ガス流の中へ導入され、それによって熱分解反応物塊
が形成される。熱分解反応物塊はチョークから出口室へ
流入すると直ちに広がる。その結果、熱分解反応物のい
くらかは、出口室の先の熱分解反応を急冷する水スプレ
ーの方へ流れるかわりに、反応チョークから出口室の内
壁に向かって横方向へ流れて出口室後部に渦巻く。

従って、渦巻いている反応物塊の滞留時間は、出口室を
直ちに通過して前方へ流動する反応物塊のそれよりも長
い。滞留時間が長いために、渦巻いている反応物塊の原
料炭化水素は過剰熱分解され、形成されつつあるカーボ
ンブラック粒子の、表面活性を助長する物理的性質がほ
ぼ破壊される。炭素に結合した水素、不対電子及びフリ
ーラジカルは燃焼される。余分な滞留時間は又、グラフ
ァイト層をより整列させ、より規則性をもたせる。そし
て余分に高温にさらすことはカーボンブラックの外表面
を硬化させ、滑らかにする。その結果、カーボンブラッ
クの表面活性が低下する。

高表面活性カーボンブラックは、以前は、酸素を含んだ
比較的低速度の高温ガスの渦巻き流に原料炭化水素を注
入するカーボンブラック反応装置で作られていた。高温
ガスの渦巻き流を有するカーボンブラック反応装置はし
ばしば「接線方向流（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ　ｆｌｏｗ
）　Ｊ反応装置と呼ばれる。接線方向流反応装置にはカ
ーボンブラックを製造する上で幾つかの不利な点がある
。接線方向流反応装置の不利な点の１つは、渦巻き流に
よって生じる遠心力が、注入された原料炭化水素を反応
装置の高温の内壁に衝突させる傾向があることである。

原料炭化水素は反応装置の高温の内壁と接触してコーク
スに変わり、しばしば熱的衝撃と反応装置の内壁のひび
割れを起こす。コークスはしばしば「衝突コークス（ｉ
ｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ　ｃｏｋｅ）Ｊと呼ばれ、ひび割
れた反応装置の破片は、しばしば［耐火粗粒物（ｒｅｆ
ｒａｃｔｏｒｙ　ｇｒｉｔ）Ｊと呼ばれる。衝突コーク
スと耐火粗粒物はしばしば反応装置の内壁から分離し、
高温ガス流に再度入り、カーボンブラック製造物を汚染
する。

原料炭化水素衝突の問題は、高温ガス流に注入される原
料炭化水素が増えるにつれて大きくなる。

このため、衝突コークスと耐火粗粒物が重要な汚染問題
にならないように渦巻き高温ガス流に注入できる原料炭
化水素の量が限られてくる。所定の高温ガスの流速に対
し、注入される原料炭化水素量が少なければ、高温ガス
流中の原料炭化水素濃度は低くなる。高温ガス流中の原
料炭化水素濃度か低ければ、単位高温ガス当り及び単位
注入原料炭化水素当りの収量が低くなる。同様に、原料
炭化水素が高濃度であればカーボンブラックの収量が多
くなる。従って、接線方向流反応装置ではカーボンブラ
ックの生産速度は低い。

それ故、高表面活性なカーボンブラックを、より有効に
、より高収率で、より不純物を少なく製造するカーボン
ブラック反応装置が必要とされる。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明は、従来
技術における上記の問題を、次第に直径が大きくなる出
口室を有する細長い反応装置を提供することによって解
決する。出口室の直径は出口開口部に向って徐々に大き
くなる。反応装置は高温ガス流を作り、この反応装置中
を実質的に軸方向へその高温ガス流を向ける。反応装置
は原料炭化水素を軸方向の高温ガス流中へ導入し、それ
によって熱分解反応物塊の実質的に軸方向である流れが
形成される。出口室の直径が次第に大きくなることによ
り、出口室を通る熱分解反応物の実質的なプラグ流れと
、同じ長さの急に広がる出口室よりも体積が小さい出口
室が供給される。

出口室を通る熱分解反応物塊の流れは実質的にプラグ流
れであるので、熱分解反応物塊の滞留時間は実質的に均
等である。結果として、反応物塊の流れは全体がほぼ均
等に熱分解され、反応物塊における原料炭化水素の一部
が過剰熱分解されるということは排除される。又、出口
室の体積が小さくなるので、出口室中の反応物塊の平均
滞留時間が減少し、更に反応物塊における原料炭化水素
の過剰熱分解も減少する。このため、カーボンブラック
粒子表面の炭素に結合した水素、不対電子及びフリーラ
ジカルは燃焼されにくくなる。加えて、カーボンブラッ
ク粒子のグラファイト層が整列する時間が少なくなり、
これらの層の構造欠陥がそのまま残る。その結果、カー
ボンブラック粒子の表面活性は保持される。

本発明によると、高温ガスの軸方向の流れが原料炭化水
素の熱分解粒子を軸方向に反応装置中を運搬するので、
原料炭化水素は反応装置の内壁に衝突しにくくなる。そ
れ故、熱分解する原料炭化水素は実質的に反応装置の中
心の長手方向の軸及び内壁と平行に移動し、耐火粗粒物
の汚染とコークスの形成が実質的に減少する。

原料炭化水素は反応装置の内壁に衝突しにくくなるので
、原料炭化水素はより速い速度で軸方向の高温ガス流に
導入され、このため高温ガス流中の原料炭化水素の濃度
が増加する。従って、単位高温ガス当り及び単位原料炭
化水素当りの製造されたカーボンブラックの収量が改善
される。

それ故、本発明の目的は、高表面活性カーボンブランク
製造のための改良装置を提供することである。

本発明の他の目的は、カーボンブラック製造物中の衝突
コークス及び耐火粗粒物の存在を実質的に減少させる高
表面活性カーボンブラック製造装置を提供することであ
る。

本発明の更に他の目的は、高収率で高表面活性カーボン
ブラックを製造する装置及び方法を提供することである
。

他の目的、特徴及び効果は、添付図面並びに以下の詳細
な記述を検討することによって明らかになるであろう。

〔実施例〕

高表面活性カーボンブラックの製造のためのカーボンブ
ラック反応装置は図面中に参照符号１０で概略的に図示
されている。カーボンブラック反応装置１０は燃焼部１
２を含んでいる。燃焼部１２は円筒状の空気入口室１５
を備えており、この空気入口室は炭化水素バーナーを導
入するための入口開口部１８を後端部に、酸素を含んだ
気体を導入するための第２開口部２１をその周壁に有し
ている。円筒状の燃焼チョーク２４が空気入口室１５の
前端部から延びており、空気入口室と軸方向に整合させ
られている。燃焼チョークは、空気入口室の前端部の開
口部２７を通じて空気入口室１５と連通している。円筒
状の燃焼室３ｏが燃焼チョーク２４の前端部に付設され
ている。燃焼室３０は燃焼チョーク２４及び空気入口室
１５と軸方向に整合させられ、燃焼チョークの前端部か
ら前方に延びている。燃焼室３０は、燃焼室後端部の開
口部３３を通じて燃焼チョーク２４と連通している。

反応装置１ｏは又、燃焼部１２と軸方向に整合させられ
ている反応部３６を含んでいる。反応部３６は、燃焼室
３０の前端部から前方へ延びているコーン形状の反応室
３９を備えている。反応室３９は、燃焼室の開口前端部
４２を通じて燃焼室３０と連通している。反応室３９は
、円筒状の反応チョーク４５に向かって収束するように
次第に小さくなる内径を有している。反応チョーク４５
は反応室の直径より実質的に小さい直径を有している。

反応チョーク４５は反応室３９の収束端部から前方に延
びており、反応チョークは反応室の収束端部において開
口部４８を通じて反応室と連通している。

原料炭化水素注入ノズル５１は反応室３９から反応チョ
ーク４５の範囲の途中に位置している。

図面に示されているように、原料炭化水素注入ノズル５
１は、反応室３９及び反応チョーク４５の外壁を貫通し
て、カーボンブラック反応装置１０の内部へ突出してい
るのが好ましい。しかし、供給原料注入ノズルを反応装
置内に軸方向に位置させることもできる。図面において
、原料炭化水素注入ノズルが３セツト示されているが、
本発明の反応装置の原料炭化水素注入ノズルの数は特定
の数に限られるものではないと解さるべきである。

コーン形状の出口室５４は反応チョーク４５の前端部か
ら延びている。出口室５４はカーボンブラック反応装置
１０の反応部３６及び燃焼部１２と軸方向に整合させら
れており、出口室後端部の開口部５７を通じて反応チョ
ークと連通している。

出口室５４の後端部の開口部５７において、出口室の内
壁は反応チョーク４５の内壁と実質的に同一面をなして
いる。出口室後端部の開口部５７から、出口室後端部の
開口部から離れて位置する水噴霧ノズル６０に向かって
、出口室の直径は次第に大きくなる。

燃焼室３０．反応室３９、反応チョーク４５及び出口室
５４は全て、図面において、円形断面をなしているよう
に示されているが、本発明の反応装置は円形断面の物に
限られないと理解されるべきである。

カーボンブラック製造工程はカーボンブラック反応装置
１ｏの燃焼部１２において始り、そこで天然ガス等の炭
化水素燃料が空気等の酸素を含んだ気体と混合されて燃
焼される。炭化水素燃料を完全燃焼させるのに必要な■
よりも過剰の酸素を含んだ気体が、空気入口開口部２１
を通じて空気入口室１５へ導入される。酸素を含んだ気
体は、空気入口開口部２１によって空気入口室１５へ導
入され、渦巻いたり接線方向の気体流を生じたりしない
ように、空気入口室の内壁に沿って、実質的にまっすぐ
に空気入口室の中心へ向かう。炭化水素燃料は、炭化水
素入口開口部１８を通って空気入口室１５へ導入される
。

酸素を含んだ気体中で炭化水素が燃焼することによって
生じた高温ガスは、実質的に軸方向に反応装置１０を流
れる。軸方向の流れにおいて、高温ガスは反応装置の長
手方向の軸と実質的に平行に流れる。高温ガスは、空気
入口室１５から空気入口室の前端部の開口部２７を通っ
て、軸方向に燃焼チョーク２４を通り、燃焼室３０の後
端部の開口部３３を通り、そして、軸方向に燃焼室を通
過して反応室３９へと、実質的に軸方向に流れる。

高温燃焼ガスが軸方向に収束している反応室３９を通り
、反応室の収束端部を通り、軸方向に反応チョーク４５
を通る時、原料炭化水素が注入ノズルから高温燃焼ガス
中へ注入される。原料炭化水素は高温ガスの流れを横切
る方向に注入されるのが好ましい。原料炭化水素を軸方
向に位置されたノズルから注入することも可能であるが
、そのようなノズルは高温ガスの軸方向の流れを妨げる
傾向がある。酸素を含んだ高温燃焼ガスは、原料炭化水
素が酸素を含んだ高温ガス流中に入った時、原料炭化水
素の熱分解を開始する。これにより、熱分解反応物塊の
実質的に軸方向の流れが形成される。

熱分解された原料炭化水素から形成されたカーボンブラ
ック粒子は、反応チョーク４５°から出口室後端部の開
口部５７を通って出口室中を流れ、水噴霧ノズルによっ
て形成される水しぶきの方へ向かって流れ、噴霧水によ
って急冷されて熱分解反応が停止する。出口室後端部の
開口部５７で出口室５４の内壁が反応チョークの内壁と
実質的に同一面をなしており、更に出口室の直径が開口
部から徐々に大きくなるので、熱分解反応物塊全体は実
質的に前方へ流れ、熱分解反応物塊が水噴霧ノズル６０
の方へ移動するにつれて徐々に放射状に広がる。水スプ
レーが熱分解反応を急冷して止めた後、カーボンブラッ
ク粒子はガス流から分離される。カーボンブラック製造
物の回収はこの発明の部分を成すものではないと解され
るので、ここでは詳細に説明しない。

熱分解反応物塊が徐々に広がることによって、出口室５
４を通る熱分解反応物塊の流れが実質的にプラグ流れに
なる。プラグ流れにおいては流体成分は一様に動き、前
後の成分と混流することはない。とはいえ、熱分解反応
物塊が出口室５４を移動する間放射状に広がるので、プ
ラグ流れ内の横方向の混流は存在しうる。それ故に、出
口室５４を流れる熱分解反応物塊の滞留時間は全体とし
てほぼ均等である。更に、出口室５４は直径が徐々に広
がるので、同じ長さで急に直径が広がる出口室より体積
が小さい。故に、熱分解反応物塊の出口室での平均滞留
時間は減少する。その結果、反応物塊中の供給原料炭化
水素は過剰熱分解されず、カーボンブラック粒子の表面
活性は維持される。

カーボンブラック反応装置１０を通る高温燃焼ガスの軸
方向の流れは、反応室３９及び反応チョーク４５の内壁
に原料炭化水素が衝突するのを実質的に減少させる。反
応装置１０を通る高温ガス流が軸方向であるので、高温
ガスは反応室３９及び反応チョーク４５の内壁と実質的
に平行に進む。

従って、原料炭化水素が高温ガスの流れに入ると、高温
ガス流は熱分解しつつある原料炭化水素粒子を反応室及
び反応チョークの内壁と平行に搬送し、それにより、原
料炭化水素が反応室及び反応チョークの内壁と接触する
のを実質的に防いでいる。

原料炭化水素の衝突の排除は、カーボンブラック製造物
中の衝突コークスと耐火粗粒物の存在を実質的に排除す
る。さらに、原料炭化水素の衝突の排除により、高温ガ
ス流に原料炭化水素を最大限に導入でき、カーボンブラ
ック製造物の量を最大にすることができる。

以上に説明したものは本発明の好ましい実施態様にのみ
関するものであって、様々な変更や修正が特許請求の範
囲に規定されている本発明の範囲及び精神から逸脱する
ことなく成され得ると解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の好ましい実施態様に関する反応装置の断
面図である。 ５・・・空気入口室　　　１８・・・入口開口部１・・
・第２開口部　　　３０・・・燃焼室９・・・反応室　
　　　　４５・・・反応チョークド・・原料炭化水素注
入ノズル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高表面活性を有するカーボンブラックの製造装置で
   あって、高温ガス流製造手段、入口開口部及び出口室を
   有する細長い反応装置であって該出口室が出口開口部を
   有するものと、高温ガス流を反応装置中を実質的に軸方
   向に向ける手段、及び、実質的に軸方向である高温ガス
   流へ原料炭化水素を導入するために出口室の上流に位置
   し、それによって熱分解反応物塊の実質的な軸方向流を
   形成する手段を具備するものにおいて、 出口室が出口開口部に向かって次第に大きくなる直径を
   有し、もって、実質的に軸方向である熱分解反応物塊の
   流れが実質的にプラグ流れになることを特徴とする装置
   。 ２、原料炭化水素を導入する手段が、原料炭化水素を実
   質的に軸方向である高温ガス流中へ実質的に横切る方向
   に向けることよりなる請求項１記載の装置。 ３、反応装置が、出口室へ軸方向に整合され且つ入口開
   口部と出口開口部とを有する反応室を含み、 反応室の出口開口部が出口室の入口開口部と近接するよ
   うに出口室が反応室に接続され、原料炭化水素を導入す
   る手段が反応室の入口開口部と出口開口部の間に位置す
   る、 請求項１記載の装置。 ４、原料炭化水素を導入する手段が、原料炭化水素を軸
   方向の高温ガス流中へ実質的に横切る方向に注ぐ請求項
   ３記載の装置。 ５、反応室の直径が、反応室の出口開口部に向かって徐
   々に小さくなる請求項３記載の装置。 ６、反応室の出口開口部と出口室の入口開口部の間に軸
   方向に位置して反応室と出口室の間を連通させる反応チ
   ョーク通路を更に備える請求項５記載の装置。 ７、原料炭化水素を導入する手段が、原料炭化水素を軸
   方向の高温ガス流中へ実質的に横切る方向に注ぐ請求項
   ６記載の装置。 ８、高表面活性を有するカーボンブラックの製造方法に
   おいて、 高温ガス流を製造し、 入口開口部と、出口開口部を有する出口室とを有する細
   長い反応装置を提供し、 高温ガス流を、反応装置中を実質的に軸方向に向け、 原料炭化水素を出口室の上流側で実質的に軸方向である
   高温ガス流中に導入し、それによって熱分解反応物塊の
   実質的な軸方向流を形成し、実質的に軸方向である熱分
   解反応物塊の流れが実質的にプラグ流れになるように、
   熱分解反応物塊の流れが出口開口部へ向かって出口室中
   を実質的に軸方向に流れる時に熱分解反応物塊を放射状
   に次第に広げる 段階を具備する方法。 ９、原料炭化水素が、実質的に軸方向である高温ガス流
   中へ、実質的に横切る方向に導入される請求項８記載の
   方法。