JPH059404A - カーボンブラツクの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 燃焼工程、原料油導入工程、反応工程および
反応停止工程からなるプロセスにおいて、原料油導入工
程を形成する狭径スロート部を熱交換機能を備える金属
製二重筒構造の冷却セルで構成し、原料油を狭径スロー
ト部直径の10〜40％に相当する深さ位置に周辺から注入
することを特徴とする。冷却セルの熱交換で予熱された
空気は、燃料の支燃ガスとして循環使用することができ
る。 【効果】 アグリゲート凝集体分布がブロード化したカ
ーボンブラックを優れた炉操業により効率よく製造する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、省エネルギータイヤ用
に要求される巾広いアグリゲート凝集体分布を有するカ
ーボンブラックを効率よく得るための工業的な製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、自動車の高性能化はタイヤ部材と
してのカーボンブラックにも厳しい特性要求を課してお
り、例えば省エネルギータイヤ用に対しては可及的にア
グリゲート凝集体分布がブロード化した性状のカーボン
ブラックが強く開発要請されている。

【０００３】従来、このような巾広いアグリゲート凝集
体分布のカーボンブラックを製造する手段として、原料
炭化水素油を発生炉の炉軸方向に多段に分割導入する方
法が有効とされている。例えば、米国特許第4071496 号
明細書にはベンチュリ型カーボンブラック製造炉を用
い、スロート域ベンチュリ後方拡大部と同出口広径円筒
拡大部へ炉周辺から放射状に原料油を分割導入する方法
によりアグリゲート凝集体分布をブロード化したカーボ
ンブラックを得ることが開示されている。英国特許第21
51605 号明細書には、ベンチュリ型カーボンブラック製
造炉の前方収斂部および狭径スロート部へ原料油を２段
に分割導入することによりアグリゲート凝集体分布をブ
ロード化させる低ヒステリシスカーボンブラックの製造
方法が示されている。また、特開平３−137167号公報に
は、テーパー形状炉のテーパー部分に原料油を２段に分
割導入し、かつ２段目の原料油を炉内に導入する噴出角
度を特定範囲に規制することによりブロード化したアグ
リゲート凝集体分布のカーボンブラックを得るという本
出願人により開発された製造技術が開示されている。

【０００４】これら先行技術は、いずれも原料油を分割
導入して各注入域に温度分布を持たせることを共通要素
としているが、分割導入に必要な多数本の原料油注入ノ
ズル（二重筒水冷方式）を設置することはノズル位置近
辺の高温炉内において炉壁レンガ面に局所的な冷却現象
を生じさせ、また炉頭燃焼域で生成した燃焼ガスの流れ
に乱れが起きるため、操業面での難点となるコークス化
等の発生を促す。

【０００５】また、従来のカーボンブラック製造炉は、
炉の内壁が耐火レンガによって構築されているが、この
内張耐火材は最高温度部位でも耐火温度が約1900℃のア
ルミナ系 (ハイアルミナ質または超高アルミナ質) レン
ガが適用されているため、2000℃を越えるような燃焼ガ
ス流に接触させた場合には溶損などの現象が生じて炉操
業ができなくなる。このため、炉体を強制冷却する等の
方法で内張耐火炉材の保護を図る対応がなされており、
例えばカーボンブラック製造炉の本体をスチール製の２
筒構造とし、内筒部分にレンガを内張したうえで二重筒
間隙に空気を導入して炉冷し、ここで予熱された空気を
燃焼用空気として循環使用するプロセス（米国特許第30
87796 号明細書) 、テーパー型カーボンブラック製造炉
の内張レンガ内にスチール製コイルを配置し、コイル内
に冷却水を送入するプロセス (米国特許第4619812 号明
細書) などが提案されている。

【０００６】前記の炉体を強制冷却する方法は、内張耐
火材のライフを効果的に延命化させることができるが、
炉構造としていずれもアルミナ系の耐火レンガを炉本体
に内張している関係で燃焼ガスの高温水準に限度があ
る。そのうえ、レンガ構築による炉体の場合には、操業
中にレンガの破片が剥離落下する現象（スポーリング損
傷）が避けられず、これがグリットとして生成カーボン
ブラック中に混在して製品不良を生じる原因となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の炉構
造とは異なり、原料油注入域を形成する狭径スロート部
分を内張耐火材を使用しない金属製の強制冷却二重筒構
造に設計した炉を用い、原料油を狭径スロート部の特定
深さに注入する条件を設定することによってブロード化
したアグリゲート凝集体分布をもつカーボンブラックを
優れた操業性で製造することを可能にしたものである。

【０００８】したがって本発明の目的は、省エネルギー
タイヤ用として要求される巾広いアグリゲート凝集体分
布を備える性状のカーボンブラックを生産性よく製造す
る方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるカーボンブラックの製造方法は、燃料
を燃焼させて高温燃焼ガスを生成させる燃焼工程、狭径
スロート部で高温燃焼ガス流に原料炭化水素を噴射する
原料油導入工程、原料炭化水素を熱分解反応によりカー
ボンブラックに転化させる反応工程、反応ガスを急冷し
て熱分解反応を終結させる反応停止工程からなるプロセ
スにおいて、前記原料油導入工程を形成する狭径スロー
ト部を熱交換機能を備える金属製二重筒構造の冷却セル
で構成し、原料油を狭径スロート部直径の10〜40％に相
当する深さ位置に周辺から注入することを構造上の特徴
とする。

【００１０】本発明の前提プロセスとなる燃焼工程、原
料油導入工程、反応工程および反応停止工程は、従来技
術と相違はないが、本発明の第１の構成的要件は、前記
の工程において原料油導入工程の狭径スロート部を熱交
換機能を備える金属製二重筒構造の冷却セルとして構成
した炉を用いる点にある。この要件は原料油を導入する
狭径スロート部を直接的に周囲から強制冷却することに
よって該部位の軸方向および断面方向における広い温度
分布を形成し、生成するカーボンブラックのアグリゲー
ト凝集体分布をブロード化させるためのものである。冷
却セルは、例えばステンレス鋼、銅、インコネル等の金
属材料により冷却媒体の送入管および排出管を備えるジ
ャケット形態に形成されるが、その仕様は空気などの冷
媒が効率よく熱交換されるような管内流速などを勘案し
て適宜に設計される。この際、セル内での局部加熱を生
じさせないため、可及的にデッドスペースのない形状に
設計することが好ましい。

【００１１】冷却媒体には空気もしくは酸素富化空気が
用いられる。この場合燃焼効率を高めるために、冷却セ
ル内に送入され熱交換機能により熱せられたこれら媒体
を燃料の支燃ガスとして循環使用することが好ましい。
装置的には、冷却媒体の排出管から燃料供給系統に至る
循環経路を設置することで足りる。

【００１２】本発明の第２の構成要件は、原料油を前記
狭径スロート部直径の10〜40％に相当する深さ位置に周
辺から注入することである。この条件は原料油を熱分解
開始温度を越え、かつ温度勾配の大きな領域へ導入して
生成カーボンブラックのアグリゲート凝集体分布を確実
にブロード化するためのもので、原料油注入位置が狭径
スロート部直径の10％未満のセル内壁近傍であると熱分
解反応が円滑に進行せずに未燃焼炭化水素分およびグリ
ット発生を増大させ、時にはセル内壁にコークスが多量
に付着して管閉塞などの操業トラブルを招く。他方、狭
径スロート部直径の40％を越えるような中心部への原料
油注入は強制冷却セルによる断面方向の温度分布が活用
されなくなって生成カーボンブラックのアグリゲート凝
集体分布がブロード化しなくなる。

【００１３】

【作用】本発明における狭径スロート部を熱交換機能を
備える金属製二重筒構造の冷却セルで構成した原料導入
域では、強制冷却の作用で燃焼ガス流とセル内面の界面
に温度差に基づく境膜が形成され、炉内断面中央部分を
吹き抜ける燃焼ガス温度を極度に低下させることなく、
また冷却セルの構成金属材料を損傷させずに高温燃焼ガ
ス流が流下する。この際、冷却セルは空冷条件によって
炉内の軸方向および断面方向の温度分布を制御すること
ができるから、従来技術のように原料油を多段に分割導
入する必要なく熱分解温度にアグルゲート凝集体分布を
ブロード化させるための分布巾を形成することが可能と
なる。

【００１４】上記の要件に加え、狭径スロート部直径の
10〜40％に相当する深さ位置、すなわち十分な高温燃焼
ガスが流通する温度勾配の大きな領域に原料油を周辺か
ら注入することにより、ブロード化したアグリゲート凝
集体分布を有するカーボンブラックを安定かつ効率よく
生成させることが可能となる。

【００１５】また、冷却セル内を流通する冷却媒体とし
て空気もしくは酸素富化空気を使用し、その熱交換作用
で予熱された前記の媒体を支燃ガスとして循環使用する
と、燃料の燃焼促進および高温化に有効に機能させるこ
とができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。

【００１７】実施例１〜４、比較例１〜３ 炉頭部に炉軸方向の燃焼バーナーを備えるアルミナ質耐
火レンガで内張した内径400mm(テーパー出口部直径60m
m) 、長さ500mm 、耐火断熱層の厚さ200mm の燃焼域
と、ステンレス鋼製二重筒構造の冷却セルで構成した内
径60mm、外径80mm、長さ200mm の狭径スロート部からな
る原料導入域、アルミナ／シリカ質耐火レンガで内張さ
れた内径100mm 、長さ600mm 、耐火断熱層の厚さ100mm
の反応域、およびアルミナ／シリカ質耐火レンガで内張
されクエンチ装置を備えた内径100mm、長さ1000mmの反
応停止域を連設してカーボンブラック製造炉を設置し
た。原料油噴射ノズルは狭径スロート部の周辺から装着
し、ノズル先端の注入位置がセル内を伸縮できる状態に
セットした。また、冷却セルの排出管を燃焼室に連結し
て予熱された冷却媒体は全量が支燃ガスとして消費する
循環経路に設計した。

【００１８】燃料にはプロパンを用いて燃焼バーナーか
ら供給し、冷却セルの冷却媒体には空気を用いた。原料
油は、霧化用窒素ガスとともに燃焼ガス流に対し放射状
に霧化噴射した。反応停止用のクエンチは、反応停止域
の入口から900mm 下流の位置にセットした。原料油とし
ては、比重(15/4 ℃)1.046、トルエン不溶分0.14％、相
関係数(BMCI)134 、硫黄分 0.1％、初留点 195℃、Ｎａ
イオン3.0ppm、Ｋイオン0.3ppmの芳香族炭化水素油を用
いた。

【００１９】上記の製造炉を用い発生条件を変えてカー
ボンブラックを製造した。なお比較例３は、従来構造の
アルミナ質耐火レンガで内張した原料導入域（内径60m
m、長さ200mm)を備える製造炉で製造した例である。各
例の製造条件を表１に、また得られたカーボンブラック
の特性を表２に示した。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】表１の結果から、本発明の要件を満たす実
施例１〜４で得られるカーボンブラックはいずれも従来
法の比較例３に比べてアグリゲート凝集体分布の指標で
あるΔＤstが大きく、省エネルギータイヤ用として好適
な性状を呈している。このうえ、原料注入域に耐火断熱
材を使用していないためグリット発生もなく、円滑に連
続操業することが可能である。しかし、原料油注入位置
が狭径スロート部直径に対し10％未満に比較例１では熱
分解反応が円滑に進行しないため、生成カーボンブラッ
クにはコークス状グリットが多量に含有され、炉壁にも
コークス付着が確認された。また、原料注入位置が狭径
スロート部直径に対し40％を越える深さの比較例２で
は、巾広いアグリゲート凝集体分布のカーボンブラック
を製造することはできなかった。

【００２３】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に係るカーボンブ
ラックの製造方法に従えば、アグリゲート凝集体分布が
ブロード化した性状のカーボンブラックを常に安定した
炉操業で効率よく製造することができる。したがって、
省エネルギータイヤ用として好適なカーボンブラックの
量産技術として極めて有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を燃焼させて高温燃焼ガスを生成さ
   せる燃焼工程、狭径スロート部で高温燃焼ガス流に原料
   炭化水素を噴射する原料油導入工程、原料炭化水素を熱
   分解反応によりカーボンブラックに転化させる反応工
   程、反応ガスを急冷して熱分解反応を終結させる反応停
   止工程からなるプロセスにおいて、前記原料油導入工程
   を形成する狭径スロート部を熱交換機能を備える金属製
   二重筒構造の冷却セルで構成し、原料油を狭径スロート
   部直径の10〜40％に相当する深さ位置に周辺から注入す
   ることを特徴とするカーボンブラックの製造方法。
2. 【請求項２】 冷却セル内に冷却媒体として空気もしく
   は酸素富化空気を流入し、熱交換機能により予熱された
   空気もしくは酸素富化空気を燃料の支燃ガスとして循環
   使用する請求項１記載のカーボンブラックの製造方法。