JPH0655909B2 - ソフト系カ−ボンブラツク製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、オイルフアーネス法を採用したソフト系カー
ボンブラツクの製造装置に関するものであり、より詳し
くは、本発明はガス状炭化水素および／または液状炭化
水素を同一の燃焼室内で完全燃焼化できる改良された燃
焼室を有し、且つカーボンブラツクのアグリゲートサイ
ズ分布を制御できるソフト系カーボンブラツク製造装置
に係るものである。

オイルフアーネス法を採用したカーボンブラツクの製造
においては、一般的に円筒形状のカーボンブラツク製造
装置の軸方向または接線方向に燃料を導入して燃焼さ
せ、この高温燃焼ガス流を反応帯域へ移動させながら、
高温ガス流中に炭化水素原料油を噴霧し、前記原料油の
不完全燃焼化によりカーボンブラツク生成反応を惹起せ
しめ、このようにして得られたカーボンブラツク熱懸濁
ガス流を急速冷却して反応を停止させ、サイクロン、バ
グフイルター等の捕集装置を通過させてカーボンブラツ
クが回収されている。この粉末状カーボンブラツクはハ
ンドリングの面から通常造粒工程乾燥工程を経て、カー
ボンブラツク製品として出荷される。

オイルフアーネス法によるカーボンブラツク製造におい
て、製造装置内に噴霧される炭化水素原料油をカーボン
ブラツクに変換するのに必要な熱量は、炭化水素原料油
の部分的燃焼によつて供給されるのは避けられないが、
そのほとんどは燃料の燃焼熱により補給されているが普
通である。

特許公報等による公知文献では、オイルフアーネス法に
おいて一般的には高温燃焼ガス発生用燃料として天然ガ
スのような気体燃料が広く採用されているが、粗製ナフ
サ、重質油等の液体燃料も用いられる場合もみられる。
しかしながら、ガス状燃料燃焼用装置と液状燃料燃焼用
装置とは通常異なるものが用いられ、特に、液状燃料燃
焼用装置では、燃焼用導口の長さを大きくすることによ
り完全燃焼化を計る（例えば、特公昭36-12766号公
報）、液体燃料を微粒化して燃焼速度を向上する（例え
ば、特公昭58-27826号公報）などのように種々の改良が
なされているが、ガス状燃料および／または液状燃料を
同一の装置で使用できるものは見当らない。

また、主要特性である沃素吸着量（表面積の評価）やジ
ブチルフタレート（DBP）吸収量（ストラクチヤーの評
価）などの表面的な特性値のみでは、カーボンブラツク
配合ゴム組成物のゴム物性におけるカーボンブラツクの
影響を評価、予測することは困難となつており、その他
の特性値の中でもカーボンブラツクにおけるアグリゲー
ト（一次凝集体）のサイズ分布の影響が注目されてい
る。

本発明の第１の目的は、ガス状炭化水素燃料および／ま
たは液状炭化水素燃料を同一の燃焼室内で利用でき、且
つカーボンブラツク生成反応系外の空間内で、完全燃焼
せしめ、この高温燃焼ガス流の包含する熱量をカーボン
ブラツク生成反応に寄与させるようにしたカーボンブラ
ツク製造装置を提供することにある。より詳しく述べる
と、燃焼ガス充填室前半部分において、接線方向位置に
中心軸を有する少なくとも１個の酸素含有ガス導入口、
および前記酸素含有ガス導入口とは別個の独立した少な
くとも２個の燃料流体導入口を設置し、例えば酸素含有
ガスを前記ガス導入口に導入して、燃料流体との流動方
向を相違させることにより前記二流体の混合効率を著し
く向上させ、これに加えて二流体を燃焼ガス充填室前半
部分より導入することにより炭化水素原料油を噴霧する
時点では、燃料の完全燃料化が達成するように構成され
た燃焼ガス充填室を有するソフト系カーボンブラツク製
造装置にある。

本発明の第２の目的は、カーボンブラツクのアグリゲー
トサイズ分布（遠心沈降分析によるストークス相当径の
頻度により評価）を容易に制御できるカーボンブラツク
製造装置の提供にある。より詳しくは、カーボンブラツ
ク生成反応室前半部分に少なくとも２個以上の酸素含有
ガスおよび／または燃料流体の導入用導管を設け、前記
導管への各流体の導入割合および速度を変更することに
よりカーボンブラツク特性を制御できるカーボンブラツ
ク製造装置を提供するにある。

すなわち、本発明は横置された円筒形状の燃焼ガス充填
室２と、前記充填室２と共軸的に連結され且つ前記充填
室２よりも直径の大きい円筒形状のカーボンブラック生
成反応室４と、前記充填室中心軸に保持された炭化水素
原料導入噴霧用の原料導入装置と、前記反応室末端部に
共軸的に連結された反応継続兼急速冷却室５と、前記急
速冷却室５後端部に連結された煙道６とからなる、全体
が耐火物で内張りされたカーボンブラック製造装置１に
おいて、 (イ) 前記燃焼ガス充填室２前半部分の接線方向位置に
中心軸を有する少なくとも１個の酸素含有ガス導入口９
を設け、 (ロ) 前記燃焼ガス充填室２前半部分において、前記酸
素含有ガス導入口とは独立した少なくとも２個の燃料流
体導入口10〜12を設置し、 (ハ) 前記燃焼ガス充填室２と反応室４との間にベンチ
ュリ部３を設け、且つ前記充填室２の上流端壁の中心軸
方向に外側壁に防熱冷却用ジャケットを設けた原料導入
装置を挿入−引き抜き自在に取り付け、前記原料導入装
置の先端位置を前記酸素含有ガス導入口９よりも下流側
に設置し、 (ニ) 前記カーボンブラック生成反応室４前半部分に、
少なくとも２個以上の酸素含有ガスおよび／または燃料
流体導入口13，14を設け、 (ホ) 冷却水圧入噴霧器（ａ〜ｇ）を前記反応継続兼急
速冷却室５壁において、当該噴霧器（ａ〜ｇ）の水噴霧
部を前記室５内に対し挿入−引き抜き自在に複数個設置
した ことを特徴とするソフト系カーボンブラック製造装置を
提供するにある。

次に、添付図面に基づいて本発明をさらに詳しく説明す
る。

第１図は本発明の一例の装置の縦断正面図であり、第２
図は第１図のＡ−Ａ矢視における断面図である。

第３図は第１図のＡ−Ａ矢視における他の態様の断面図
であり、第４図は第１図のＢ−Ｂ矢視における断面図で
ある。

第１図および第２図のカーボンブラツク製造装置におい
て、横置された円筒形状の燃焼ガス充填室２にはベンチ
ユリ３が同軸的に連結され、ついで反応室４、さらに反
応継続急速冷却室５、その末端に煙道６が順次連結され
ている。

燃焼ガス充填室２には、その中心軸前端壁を貫通して設
けられた挿入口に炭化水素原料導入装置（図示せず）用
の水冷ジヤケツト付ガイド７が挿入固定されており、そ
の先端に原料導入装置固定用の金具、例えばセツトビス
８，８′が取付けられている。原料油導入位置は、前述
したようにカーボンブラック凝集体のサイズ分布とカー
ボンブラック転化率に大きな影響を与えるので、その位
置を自由に移動できる構成とするのが望ましい。このた
めに、この導入装置は燃焼ガス中でも挿入−引出し可能
なように外側壁に防熱冷却用ジャケットが設けられてい
る。また、燃焼ガス充填室２の前半部分には、その接線
方向位置に中心軸を有する２個の対向的に配置された酸
素含有ガス導入口９，９′が設けられ、さらに燃焼ガス
充填室の側壁外周からは前記酸素含有ガス導入口９，
９′の直径両端の垂直断面で形成される空間内におい
て、第２図で示されるように充填室２内に流通する６個
の燃料流体導入口（10，10′，11，11′，12，12′）が
円周上において対称的に、かつ前記酸素導入口９，９′
とは独立して別個に設置されている。この燃料流体導入
口は充填室２の外周部から例えば10，10′のように少な
くとも２個設置してもよいが、図示した如く６個（10〜
12′）とするのが望ましく、多くても８個で充分にその
目的を達成することができる。

上述したように、燃焼ガス充填室２には接線方向の酸素
含有ガス導入口９，９′と、これとは独立した別個の燃
料流体導入口（10〜12′）が設けられており、この燃料
流体導入口(10〜12′)は充填室２の中心軸に向かうよう
に円周上の放射方向で流通している。酸素含有ガスと燃
料流体は異なる導入方向で、且つ独立した流れとして充
填室２内に導入されるが、この流通方向の相違と独立性
は酸素含有ガスと燃料流体との混合効率を著しく高めて
燃焼速度の向上をもたらす。さらに、酸素含有ガス導入
口９，９′に近接した燃料流体導入口10，10′から導入
された燃料流体は酸素含有ガスと効果的に混合され、燃
焼しながら旋回方向の下流側にある燃料流体導入管11，
11′および12，12′から導入された燃料流体の混合を促
進するとともに、その火炎伝播効果により燃料流体の完
全燃料化を短時間のうちに順次達成できる。

これら酸素含有ガス導入口９，９′および燃料流体導入
口10〜12′を充填室２の長さ方向の中央よりも前頭部に
位置させることと上述の効果の相乗作用により、充填室
２の大きさを余り大きくすることなくその前頭部で燃料
燃焼が完結される。さらには、燃料流体導入口の数およ
び導入量を容易に変更でき、燃焼ガス充填室２における
燃料負荷率（単位体積当りの発生熱量）の制御も容易と
なるので、広い特性範囲のカーボンブラツクの製造に適
用できる利点を有している。

本発明におけるベンチユリ３は、従来のハード系製造装
置での燃焼室（本発明では燃焼ガス充填室）直径と対比
した場合のスロート部よりもかなり大きな直径のスロー
ト部とすることができ、燃焼ガス充填室２の直径(C)に
対するスロート部の直径(D)の比Ｄ／Ｃを０．４以上
０．７５以下とするのが望ましい。Ｄ／Ｃ比に関連し
て、ベンチユリ３の截頭円錐形の入口部の円錐角は100
〜160度、望ましくは110〜140度とする。即ち、本発明
においては上述の如くD/C比は大きいが燃焼ガス充填室
２の出口とも云うべきベンチユリ入口部の錐面は中心軸
線に対して急勾配となし、燃焼ガスの流れをスロート部
に急速に集中して流動せしめるので、このベンチユリ入
口部よりも上流で導入噴霧された原料炭化水素は、燃焼
ガスとの撹乱と接触において、従来装置と比較してより
均一なブラツク化反応を遂行できるのである。従つて、
ベンチユリ入口部の円錐角が１６０度を上回ると燃焼ガ
スのスロート部への集中流動が円滑に行なわれないので
不満足であり、１００度よりも下回る場合はカーボンブ
ラツク化反応の開始あるいは促進領域をスロート部に限
定制御することが困難となる。このようなスロート部に
反応開始点を位置せしめるように制御できるか否かは、
この部分における温度降下程度を計測することにより容
易に把握できる。そして、ベンチユリ部出口の截頭円錐
形状は角度的に限定する必要はないが、反応室４の入口
に対し、円錐角３０度〜６０度の滑らかな低角度をもつ
て連結するのがよい。要するに本発明におけるベンチユ
リ３は、その入口において急角度にしぼつてスロート部
に連結するので長さにおいて調整するならば燃焼ガス充
填室２の長さ(L)に対してＬ／5〜Ｌ／3の長さに設定す
るのが望ましく、またスロート部の長さは大きくする必
要はなく、Ｄ／5〜Ｄ／2で満足される。そしてベンチユ
リ出口部の長さはＬ／3〜2L／3程度とするのが好適であ
る。

本発明における反応室４の直径は、製造されるグレード
により燃焼ガス充填室２の直径よりも大きい範囲で変更
できるが、スロート部直径(D)の１．５ないし４倍とす
るのが好適である。そして、その後部には反応室４およ
び反応継続兼急速冷却室５が連結される。この室５の直
径は煙道６に至るまで、同一直径とすることができる。

第３図は、第１図のＡ−Ａ矢視における他の態様を示し
たものであり、燃焼ガス充填室２のガス導入口９，９′
にはその中心軸位置に夫々燃料燃焼装置21，21′が設置
されている。また、燃料燃焼用酸素含有ガスは前記燃料
燃焼装置21，21′をとりまく流れとしては同軸的に導入
されるが、前記酸素含有ガスはガス導入口９，９′に対
して接線方向から導入することもできる。ここで用いら
れる燃料燃焼装置21，21′としては、すでに提案した如
き水冷または空冷式の防熱冷却用のジヤケツト付（特公
昭58-27826号公報および添付の第２図）とするのが望ま
しい。燃料流体は11，1′の貫通導入口を経て放射状で
充填室２内に導入される。

カーボンブラツク生成反応室４の前半部分に、酸素含有
ガスおよび／または燃料流体を導入するための少なくと
も２個以上の導入管が設けられていることも本発明の特
徴の１つである。

第１図および第４図で示される如く、この導入管は反応
室４の前半部分、望ましくは導入口の中心位置がベンチ
ユリ出口端から反応室４の直径の１．５倍以内に、13，
13′，13″および13のように反応室４の上下端を通る
平行かつ接線方向に設置されている。これら導入管への
酸素含有ガスおよび／または燃料流体の導入量の制御お
よび旋回方向の変更（13−13″導入口の使用と13′−13
導入口の使用）、さらには１３〜13導入口の下流側
に設けられた同様構造の14〜14導入口の使用により、
沃素吸着量やジブチルフタレート吸収量という品質特性
をほぼ同レベルに維持しながらカーボンブラツクアグリ
ゲートサイズ分布を制御する手段の１つとして利用でき
る。

これに加えて、第１図に示したような反応継続兼急速冷
却室５での冷却水圧入噴霧器ａ〜ｇの設置は、反応室領
域の拡大および縮小を自由自在とし、品種別の反応室領
域を自在に設定できるので、冷却操作条件を単位時間当
りの冷却水圧入導入量の調節と共に導入位置に適宜に調
節することにより、製造装置反応帯域および冷却帯域の
熱懸濁ガス流の流動（速度）状態、圧力状態を冷却速度
と共に変動できるので、カーボンブラツクアグリゲート
サイズ分布を変化させる他の制御手段とすることができ
る。

反応室４における13〜13および14〜14の操作条件、
および反応継続兼急速冷却室５における冷却水圧入噴霧
器の作動位置を適宜選択することにより、広い範囲のソ
フト系カーボンブラツクの製造が可能であり、さらにア
グリゲートサイズ分布も容易に制御できる。

以下に実施例を示し、本発明をさらに詳しく説明する。

実施例１ 第１図および第２図に示したと同様構造の製造装置を用
いてＧＰＦ級カーボンブラツクを製造した。この製造装
置の各構成部の寸法は下記のとおりとした。

燃焼ガス充填室(2) 内径……400mmφ 長さ……200mm 酸素含有ガス導入口（９，９′） 内径……80mmφ 中心位置……燃焼ガス充填室(2)の前端部より100mm 燃料流体導入口 内径……20mmφ ６個 設置位置……燃焼ガス充填室(2)の円周上で、対称的に
放射状に設置 ベンチユリ 入口長さ……50mm(円錐角：127度) スロート直径……200mmφ スロート長さ……80mm 出口長さ……100mm(円錐角：45度) 反応室(4) 直径……500mmφ ガス導入口(13〜13，14〜14) 直径……40mmφ 中心位置……ベンチユリ出口端より100mmおよび300mm 燃焼ガス充填室(2)の中心軸には水冷ジヤケツト付ガイ
ドを取付け、ついで防熱冷却用の水冷ジヤケツト付ガイ
ドを取付け、これに防熱冷却用の水冷ジヤケツトを装着
した原料導入装置を前記ガイドに挿入した。また、反応
継続兼急速冷却室５内でのａ〜ｇの記号を付した挿入口
には冷却水圧入噴霧器〔詳細構造は、実開昭５８−1401
47号公報（出願人：旭カーボン株式会社）に開示されて
いる〕を夫々取付けた。

原料炭化水素としては第１表に示したとおりの性状およ
び組成を有するものを使用した。

また、燃料流体としては天然ガスを用いた。カーボンブ
ラツク製造装置は第２表に示したとおりに運転した。

実施例２ 実施例１で示したのと同様構造と寸法をもつ製造装置を
用いて、アグリゲートサイズ特性を制御したＧＰＦ級カ
ーボンブラツクを製造した。製造条件は第５表に示した
とおりであり、記載のない条件は第２表と同じであつ
た。

実施例１、２及び比較例１で得られたカーボンブラツク
の特性をとりまとめて第４表に示す。

上記第４表の結果により明らかな通り、比較例１におい
ては、原料炭化水素油導入位置が酸素含有ガス導入口９
の直径の上流側となっているためにアグリゲートサイズ
分布指数ｓは大きくなり、また実施例１及び２と比較し
て原料油当たりの収量で低下が認められた。

なお第４表に示された沈降分析によるＤstおよびｓのカ
ーボンブラツク凝集体サイズ(Ｃ．Ｂ．aggregate size)
は、次のようにして測定した。

使用機器 Disk Centrifuge(Photo sedimentometer)(DCF) (英)Joyce Loebl社製 測定法 若干の界面活性剤を加えた３０％メタノール水溶液中
に、0.05〜0.1％のカーボンブラツクを加え、超音波処
理を施して完全に分散せしめる。

１５v/v％グリセリン水溶液の沈降液（スピン液）２０
〜３０mlを注加した回転デイスク(disk)の回転数を8000
rpmとし、上記分散液0.02〜0.03mlを注加する。

分散液の注加と同時に記録計を動作せしめ、回転デイス
クの外周近傍の一定点を沈降によつて通過するC.B. agg
regate の量を光学的に測定して、その量を時間に対す
るヒストグラムとして記録する。

沈降時間を、下記の式(Stokesの式の一般型)により、St
okes相当径に換算し、C.B.aggregateのStokes相当径と
その頻度のヒストグラムを得る。

式(1)に於いて、ｄは沈降開始後の時間ｔで回転デイス
クの光学的測定点を通過するC.B.aggregateのStokes相
当径である。

定数Ｋは、測定時のスピン液の量、粘度及び、カーボン
ブラツクとの密度差（カーボンブラツクの真密度を1.86
g/mlとする）、更に回転デイスクの回転数によつて決定
せられる定数である。例えば、スピン液として１５v/v
％グリセリン水溶液17.5mlを用い、測定温度２０℃でデ
イスク回転数8000rpmとした場合のＫ値は368.9となり、
ｄはｎｍ、ｔは分で表示される。Dst及びｓの定義 上記測定操作によつて得られるaggregateのStokes相当
径ヒストグラムに於いて、最多頻度（実際には、光学的
測定を行なつているので最大吸光度である）を与えるSt
okes相当径をDst(Mode)と称し、C.B.aggregateの平均的
大きさの目安とする。

また、当該ヒストグラムにおいて、Dstの示す頻度（吸
光度）の二分の一の頻度（吸光度）を示し、かつDstよ
りも大なるストークス相当径を▲Ｄ^L ₅₀▼としたとき、
アクリゲートサイズ分布指数ｓは、 ｓ＝0.84932×Log(▲Ｄ^L ₅₀▼／Dst) で定義される。これは、比較的大きなアグリゲートサイ
ズの分布広さの目安となる。

実施例３ 第１図および第３図に示したと同様構造の製造装置を用
いて、SRF級カーボンブラツクを製造した。この製造装
置の各構成部の寸法は次のとおりとした。

燃焼ガス導入口（９，９′） 内径……100mmφ 中心位置……燃焼ガス充填室(2)の前端部より50mm 燃料流体導入口 内径……20mmφ ２個 設置位置……燃焼ガス充填室(2)の円周上で対称的に設
置 その他の構成部分は、実施例１で示したと同じ寸法のも
のを使用し、原料炭化水素油の組成も実施例１と同様と
した。このときの製造条件は第７表に示したとおりであ
つた。

この条件で製造したSRF級カーボンブラツクの物理化学
特性はIA 22.3mg/g、DBPA 62.4ml/100g、Dst 290nm、ｓ
0.184であつた。

なお、原料炭化水素油導入位置をベンチユリ入口より11
0mmとした位置に設け実施例３と同様に製造した比較例
２のＳＲＦ級カーボンブラックの物理化学特性はＩＡ2
2.7mg/g，ＤＢＰ64.1ml/100g，Dst 283，ｓ0.203とな
り、原料炭化水素油導入位置が酸素含有ガス導入口９の
直径の上流側となっているためアグリゲートサイズ分布
指数ｓは実施例３より大きくなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に採用される装置の一例の縦断正面図で
あり、第２図は第１図のＡ−Ａ矢視における断面図であ
る。 第３図は第１図のＡ−Ａ矢視における他の実施態様の断
面図であり、第４図は第１図のＢ−Ｂ矢視における断面
図である。 １……カーボンブラツク製造装置 ２……燃焼ガス充填室、３……ベンチユリ部 ４……反応室、５……反応継続兼急速冷却室 ６……煙道、７……水冷ジヤケツト付ガイド ８……セツトビス、9,9′……酸素含有ガス導入口 10,10′,11,11′,12,12′……燃料流体導入口 13〜13,14〜14……導入口 21,21′……燃料燃焼装置 ａ〜ｇ……冷却水圧入噴霧器挿入口

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】横置された円筒形状の燃焼ガス充填室２
   と、前記充填室２と共軸的に連結され且つ前記充填室２
   よりも直径の大きい円筒形状のカーボンブラック生成反
   応室４と、前記充填室中心軸に保持された炭化水素原料
   導入噴霧用の原料導入装置と、前記反応室末端部に共軸
   的に連結された反応継続兼急速冷却室５と、前記急速冷
   却室５後端部に連結された煙道６とからなる、全体が耐
   火物で内張りされたカーボンブラック製造装置１におい
   て、 (イ)前記燃焼ガス充填室２前半部分の接線方向位置に中
   心軸を有する少なくとも１個の酸素含有ガス導入口９を
   設け、 (ロ)前記燃焼ガス充填室２前半部分において、前記酸素
   含有ガス導入口とは独立した少なくとも２個の燃料流体
   導入口10〜12を設置し、 (ハ)前記燃焼ガス充填室２と反応室４との間にベンチュ
   リ部３を設け、且つ前記充填室２の上流端壁の中心軸方
   向に外側壁に防熱冷却用ジャケットを設けた原料導入装
   置を挿入−引き抜き自在に取り付け、前記原料導入装置
   の先端位置を前記酸素含有ガス導入口９よりも下流側に
   設置し、 (ニ)前記カーボンブラック生成反応室４前半部分に、少
   なくとも２個以上の酸素含有ガスおよび／または燃料流
   体導入口13，14を設け、 (ホ)冷却水圧入噴霧器（ａ〜ｇ）を前記反応継続兼急速
   冷却室５壁において、当該噴霧器（ａ〜ｇ）の水噴霧部
   を前記室５内に対し挿入−引き抜き自在に複数子設置し
   た ことを特徴とするソフト系カーボンブラック製造装置。
2. 【請求項２】前記燃焼ガス充填室２前半部分の酸素素含
   有ガス導入口９に、酸素含ガス導入管を連結した特許請
   求の範囲第１項記載のソフト系カーボンブラック製造装
   置。
3. 【請求項３】前記燃焼ガス充填室２前半部分の酸素素含
   有ガス導入口９に、ほぼ円筒形状の燃焼ガス発生室を設
   置し、前記燃焼ガス発生室の中心軸位置に燃料燃焼装置
   21を挿入保持せしめた特許請求の範囲第１項記載のソフ
   ト系カーボンブラック製造装置。
4. 【請求項４】前記燃焼ガス充填室２前半部分の燃料流体
   導入口10〜12が充填室２の円周上で放射状に設置された
   特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の
   ソフト系カーボンブラック製造装置。
5. 【請求項５】前記カーボンブラック生成反応室４前半部
   分の導入口13，14の中心位置がベンチュリ３出口から前
   記反応室４直径1.5倍入ないにある特許請求の範囲第１
   項ないし第４項のいずれかに記載のソフト系カーボンブ
   ラック製造装置。