JPH11181321A - 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
耐えうる燃焼バーナー及び製造装置の提供。 【解決手段】 燃焼部、反応部、反応停止部からなるカ
ーボンブラックの製造装置であって、燃焼バーナーが冷
却ジャケット構造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の製造に関し、新規且つ有用な燃焼
装置に関するものである。詳しくは、反応部で高温雰囲
気を安定的に得るという効果を発揮できる燃焼装置に関
する。

【０００２】

【従来技術】カーボンブラックは顔料、充填剤、及び補
強用顔料、耐候性改善剤として広く使用されており、そ
の製法は、一般に円筒状のカーボンブラック製造炉の燃
焼部に、炉軸方向又は接線方向に酸素含有ガスと燃料を
導入して、これらの燃焼によって得られた高温燃焼ガス
流を、引き続いて炉軸方向に設置された縮小された断面
積を持つ反応部に移動させながら、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、反応停
止部で反応ガスを急冷して反応を停止させるファーネス
式製造法が広く知られている。

【０００３】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。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】小粒子径のカーボンブラックを得るために
は、まず反応部において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。

【０００５】カーボンブラック製造炉における燃焼バー
ナーには種々の形態のものが存在するが、材質としては
高温用ステンレス鋼等の高温用金属が一般的であり、せ
いぜい１７００℃までであればカーボンブラックの製造
というような酸化雰囲気中においても使用することは可
能であった。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】しかしながら１７０
０℃を超える温度では、このような従来よりカーボンブ
ラック製造装置において用いられる燃焼バーナーでは、
溶損、熱歪みによるバーナー破損といった問題を生じや
すく非常に危険であることがわかった。例えば特公昭４
４−３１９２６号公報には、耐火材に燃料孔と支燃ガス
孔を有し、燃焼室内で拡散燃焼する構造のカーボンブラ
ック製造炉が開示されているが、このような燃焼バーナ
ー構造では耐火材の耐熱温度以上での使用は難しい。耐
熱材として２０００℃以上の温度に耐えうると考えられ
るものもあるが（例えばジルコニア系耐火材、マグネシ
アクロム系耐火材、マグネシア系耐火材等）、カーボン
ブラック製造炉という高酸化雰囲気における昇温時、降
温時等の温度変化によるヒートショックの問題、また燃
料孔及び支燃ガス孔が耐火材である場合には高速ガス流
によるエロージョン等により耐火材が破損する問題が生
じ、実用化は難しいことがわかった。

【０００７】本発明は高温ガスを用いたカーボンブラッ
クの製造に耐えうる燃焼バーナー及び製造装置の提供を
目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】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、特定の構造を有す
る燃焼バーナーを用いて燃焼ガスを発生させることによ
り、一次粒子径が小さく、凝集体径が小さく、凝集体分
布の幅が小さく大凝集体系の少ないというような優れた
特性を有するカーボンブラックを得ることが可能となる
ことを見いだし、本発明に到達した。

【０００９】すなわち本発明は冷却ジャケット構造を有
することを特徴とするカーボンブラック製造用燃焼バー
ナー、及びこれを用いたカーボンブラックの製造方法、
並びに燃焼部、反応部、反応停止部からなるカーボンブ
ラックの製造装置であって、冷却ジャケット構造を具備
した燃焼バーナーを有することを特徴とするカーボンブ
ラック製造装置に存する。

【００１０】

【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、燃焼部、反応部、反応停止部からなるカーボ
ンブラックの製造装置において、燃焼バーナーとして特
定構造を有するものを用いたものである。燃焼部、反応
部、反応停止部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。例えば図１に示すように製造装置を構成する
ことができる。図中、１１は燃焼部、１２は反応部、１
３は反応停止部、１４は燃焼バーナー、１５は原料油導
入ノズル、１６は反応停止流体導入ノズルである。

【００１１】本発明において、燃焼バーナーが冷却ジャ
ケット構造を有することを特徴とする。図２に、本発明
の冷却構造を有する燃焼バーナーの一例の概略図を示
す。図中、２１は冷却ジャケット、２２は冷却媒体入口
ノズル、２３は冷却媒体出口ノズル、２４はディフュー
ザー部、２４−１はテーパー部、２４−２は支燃ガス噴
霧孔、２４−３は燃焼ガス噴霧孔、２５はフランジ、２
６はＯリング、２７は固定ねじ、２８はディフューザー
押し付け用バネ、２９は燃料導入管、２１０は燃料導入
フランジ、２１１は 支燃ガス導入ノズルである。

【００１２】冷却ジャケットは燃焼バーナーの燃焼ガス
導入管の外側に設けられた円筒二重管構造となってお
り、当二重管の内部に燃焼用ディフューザー部が接して
おり燃焼用ディフューザー部も冷却されうる構造となっ
ている。二重管及びディフューザー部の材質は良熱伝導
性材質を使用することが好ましい。ここで良熱伝導性材
質とは熱伝導率が１００ｋｃａｌ／ｍｈｒ℃以上の材質
をいい、具体的には銅、銅合金、アルミニューム等が挙
げられる。冷却ジャケットのうちの炉内に面し、高温と
なる部分は、他の構造部材を用いても問題はない。冷却
ジャケットは二重管構造となっており図中の矢印で示し
た方向に冷却媒体を流通させることにより燃焼バーナー
を冷却しうる構造となっている。

【００１３】二重管及びディフューザー部に熱電対等の
温度検知可能な計測器を設置すれば、燃焼バーナー先端
部の冷却状態を把握することができ、安定的な操業が可
能となる。さらに、こうして温度を把握することにより
冷却媒体の量を調整し最適操業が可能となる。つまり高
温を得るためには放熱量を最小にする必要があるため、
最小冷却媒体量で操業することにより高温維持の一手段
となる。

【００１４】一つの燃焼バーナーを用いて低温から高温
域まで運転することは一般には困難であるため、二つ以
上の燃焼バーナーを用いて高温域まで昇温することが好
ましい。このような態様は、ディフューザーを各温度域
毎に専用のディフューザーに交換することで可能とな
る。この際、冷却ジャケットの外筒の内面とディフュー
ザーの外周面が有接することにより効率よく熱交換が行
われ、高温雰囲気と接する先端部が冷却される。有接面
が炉の軸方向と平行な位置関係である場合には、ディフ
ューザー部を引き抜くことが難しい。これは冷却ジャケ
ット外筒の内径とディフューザー部の外径の大きさを調
節することにより、熱膨張で両部材面が有接する構造と
していることによるものであるが、この有接面をテーパ
ー状とすることにより、高温時でも容易に燃焼バーナー
の交換が可能となる。またこのテーパー角度は６０度以
下なら問題ない。好ましくは１度から１０度が良い。

【００１５】ディフューザーと冷却ジャケット先端のテ
ーパー部の接触を常時良好にするために、ディフューザ
ー押し付け用バネを用いる。この押し付け力は図２の様
なバネと同様の働きをするものであれば、如何なる手段
でも構わない。また当部フランジ部のシール構造はＯリ
ングと同等のシール性を有する構造で有れば如何なる方
法でも良い。例えばグランドパッキンを用いたグランド
ボックス構造としシール性を保つ構造で有れば問題はな
い。

【００１６】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、冷却構造を有する燃焼バーナ
ーを備える内径５００ｍｍ、長さ１４００ｍｍの燃焼
部、該燃焼部に連接され、周辺から複数の原料ノズルを
貫設した内径６０ｍｍ、長さ８００ｍｍのチョーク部を
有する反応部、クエンチ装置を備えた内径１００ｍｍ、
長さ６０００ｍｍの反応停止部から成るカーボンブラッ
ク製造炉を設置した。

【００１７】原料ノズルの位置は、チョーク部の入口か
ら１００ｍｍである。上記の炉を用いて、表−１に示す
各条件によりカーボンブラックを製造した。燃料及び、
原料炭化水素としてクレオソート油を使用した。実施例
３、４では燃焼温度を高めるため空気に酸素を添加し
た。表−１中、「燃焼ガス温度」、「燃焼ガス酸素濃
度」及び「炉内圧力」は原料炭化水素を導入する部位に
おけるものである。「カリウム濃度」は原料炭化水素中
に添加されたＫＯＨの濃度を、カリウムの濃度として規
定したものである。

【００１８】得られたカーボンブラックの各種特性を表
−２に示す。得られたカーボンブラックの分析的性質を
決定するため、次の試験方法を用いた。 （比表面積）比表面積（Ｎ₂ＳＡ）はＡＳＴＭ Ｄ−３
０３７−８８に従って決定した。 （ｃＤＢＰ）破壊ＤＢＰ吸収数（ｃＤＢＰ）はＡＳＴＭ
Ｄ−３４９３−８８に従って決定した。 （Ｄ_mod、Ｄ_1/2）最大頻度ストーク相当径（Ｄ_mod）及
びストーク相当径半値（Ｄ_1/2）は次のように決定し
た。

【００１９】スピン液として２０％エタノール溶液を用
いて、遠心沈降式の粒度分布測定装置（ＪＬ オートメ
ーション社製 ＤＣＦ３型）により、ストークス相当径
を測定し、ストークス相当径対与えられた資料中の相対
的発生頻度のヒストグラム（図３）を作る。ヒストグラ
ムのピーク（Ａ）から線（Ｂ）を、Ｙ軸に平行にＸ軸ま
で引き、ヒストグラムのＸ軸の点（Ｃ）で終わらせる。
点（Ｃ）でのストークス直径が最大頻度ストークス相当
径（Ｄ_mod）である。

【００２０】また、得られた線（Ｂ）の中点（Ｆ）を決
定し、その中点（Ｆ）を通りＸ軸に平行に線（Ｇ）を引
く。線（Ｇ）はヒストグラムの分布曲線と２点Ｄ及びＥ
で交わる。カーボンブラック粒子の２点Ｄ及びＥの二つ
のストークス直径の差の絶対値がストークス相当半径値
幅Ｄ_1/2値である。 （Ｄ₇₅）体積７５％径（Ｄ₇₅）は次のように決定した。

【００２１】上記最大頻度ストークス径を決定する方法
において、ストークス相当径対資料の相対的発生頻度の
ヒストグラム図３からそれぞれのストークス直径と頻度
から体積を求め、ストークス直径対その直径までの得ら
れた資料の体積総和を表すグラフを作る（図４）。よっ
て図３の中点（Ａ）は、全資料の体積の総和を表す。こ
こで、この体積総和の７５％の値の点（Ｂ）を決定し、
点（Ｂ）よりＸ軸に平行に曲線と交わるまで線を引く。
点（Ｃ）からＹ軸に平行に線を引き、Ｘ軸と交わった点
（Ｄ）の値が体積７５％径（Ｄ₇₅）である。 （ＰＶＣ黒度）ＰＶＣ黒度は、本発明のカーボンブラッ
クをＰＶＣ樹脂に添加し、２本ロールにより分散、シー
ト化し、三菱化学（株）カーボンブラック「＃４０」、
「＃４５」の黒度を各々１点、１０点と基準を決め、資
料の黒度を視感判定により評価した。 （分散指数）分散指数は次の方法により評価した。ＬＤ
ＰＥ樹脂中の分散状態を観察し、未分散凝集塊の数をカ
ウントし、この数が多い、すなわち、分散指数が大きい
ほど、分散性が悪いと評価した。

【００２２】２５０ｃｃバンバリーミキサ−にてＬＤＰ
Ｅ樹脂に資料カーボンブラックを４０重量％配合し、１
１５℃で４分間混練りする。 配合条件 ＬＤＰＥ樹脂 １０１．８９ｇ ステアリン酸カルシウム １．３９ｇ イルガノックス１０１０ ０．８７ｇ 資料カーボンブラック ６９．４３ｇ 次に１２０℃で、２本ロールミルにてカーボンブラック
濃度が１重量％に成るように希釈する。

【００２３】希釈コンパウンド作成条件 ＬＤＰＥ樹脂 ５８．３０ｇ ステアリン酸カルシウム ０．２０ｇ カーボンブラック４０％配合樹脂 １．５０ｇ スリット幅０．３ｍｍでシート化し、このシートをチッ
プに切断、２４０℃のホットプレート上で６５±３μｍ
のフィルムに成形する。倍率２０倍の光学顕微鏡にて
３．６×４．７ｍｍの視野中の０．２ｍｍ以上の直径の
未分散凝集塊の直径分布を測定し、その面積を計算す
る。この面積を０．３５ｍｍ径の未分散凝集塊の面積を
基準に、総面積を基準面積で割り、基準粒子の個数とし
計算する。これを１６視野以上観察し、平均値を分散指
数とする。

【００２４】同一粒子径あるいは同一ＰＶＣ黒度での生
産性は、

【００２５】

【数１】原料供給量×原料油歩留まり／空気量 で表すことができ、また燃料の消費割合は全炭素歩留ま
りが高いほど低くなる。 （粒子径）電子顕微鏡法による。電子顕微鏡法とは以下
に示す方法である。

【００２６】カーボンブラックをクロロホルムに投入し
２００ＫＨｚの超音波を２０分間照射し分散させた後、
分散資料を支持膜に固定する。これを透過型電子顕微鏡
で写真撮影し、写真上の直径と写真の拡大倍率により粒
子径を計算する。この操作を１５００回にわたって実施
し、それらの値の算術平均により求める。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】

【発明の効果】本発明により、燃焼バーナー先端部を溶
損等させることなく高温燃焼ガスを得ることが可能とな
り、且つ、燃焼バーナー部からの放熱量を最小として高
温燃焼ガスを得ることが可能となった。また昇温時ディ
フューザー部を容易に交換することができ、短時間で交
換が終了できるため燃焼部のレンガを急冷することによ
るヒートショックが生じず、レンガ損傷を防止できる。

【００３０】このため、本発明により黒色度と分散性を
満足し、樹脂着色剤、印刷インキ、塗料において黒色顔
料として大変有用なカーボンブラックを安定して供給す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で用いた冷却構造を有する燃焼バーナ
ーを備えるカーボンブラック製造炉

【図２】本発明の冷却構造を有する燃焼バーナーの一例
を示す概略図

【図３】実施例における、ストークス相当径対資料の相
対的発生頻度のヒストグラム

【図４】実施例における、ストークス直径対その直径ま
での得られた資料の体積総和を表すグラフ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福山 裕 北九州市八幡西区黒崎城石１番１号 三菱 化学株式会社黒崎事業所内 (72)発明者 見勢 信猛 北九州市八幡西区黒崎城石１番１号 三菱 化学株式会社黒崎事業所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼部、反応部、反応停止部からなるカー
   ボンブラックの製造装置であって、冷却ジャケット構造
   を具備した燃焼バーナー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】燃焼バーナーの先端部が良熱伝導性部材で
   形成されてなる請求項１記載のカーボンブラック製造装
   置。
3. 【請求項３】燃焼バーナーの先端部の温度を検知可能な
   機構を有することを特徴とする請求項１又は２記載のカ
   ーボンブラック製造装置。
4. 【請求項４】燃焼バーナーの冷却ジャケット部と接する
   燃焼部先端がテーパー形状で、抜き出しが可能な構造で
   あることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
   カーボンブラック製造装置。
5. 【請求項５】冷却ジャケット構造を有することを特徴と
   するカーボンブラック製造用燃焼バーナー。
6. 【請求項６】先端部が良熱伝導性部材で形成されてなる
   請求項５記載のカーボンブラック製造用燃焼バーナー。
7. 【請求項７】先端部の温度を検知可能な機構を有するこ
   とを特徴とする請求項５又は６記載のカーボンブラック
   製造用燃焼バーナー。
8. 【請求項８】冷却ジャケットと接する燃焼部先端がテー
   パー形状で、抜き出しが可能な構造であることを特徴と
   する請求項５〜７のいずれかに記載のカーボンブラック
   製造用燃焼バーナー。
9. 【請求項９】請求項５〜８のいずれかに記載のカーボン
   ブラック製造用燃焼バーナーより燃料を導入して高温雰
   囲気を形成する工程を含むことを特徴とするカーボンブ
   ラックの製造方法。