JPS593497B2 - カ−ボンブラツクの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はカーボンブラックの製造方法に関するものであ
る。

現在ゴム工業は本質的にすべてのカーボンブラックを使
用している。

また刀一ポンプラックのほ３θ とんどすべての用途は
、自動車、トラック及び構内専用車輌のタイヤを製造す
る際にゴムコンパウンドを強化するためである。カーボ
ンブラック成分はかかるゴムコンパウンドの３０〜３５
重量％に達するから、この商品の消費量が非常に大きい
３５ことは理解できる。タイヤ製造用カーボンブラック
はいわゆるオイルフアーネス法で製造されている。

現在一般的に実施されているこの力法では、基本的に、
芳香族成分の多い炭化水素原料油の微粒化液滴を、メタ
ンと予熱空気との混合物の燃焼により生ずる燃焼ガスの
乱流と接触させる。上述の方法では、原料油の大部分は
部分酸化反応で熱分解により解離してエーロゾル状カー
ボンブラツクを多量生成し、これから普通済過により微
粉状カーボンブラツクを回収し、次いで市販のために造
粒する。オイルフアネース法はその性質からいつてエネ
ルギー消費量が極めて大きい。

例えば、工業界に対する現在の天燃ガス価格では、高級
カーボンブラツクの単位重量当りの製造原価の約１５％
がプロセスに対する供給原料である天然ガスの価格であ
る。将来天然ガスの価格がカーボンブラツクを製造する
際に含まれる他のコスト要因より著しく上昇することが
予測されるから、一層安価な価格が見込まれる代替燃料
源が特に指示されている。種々の等級の燃料油のような
常態液体のパラフイン系炭化水素がこの基準に合致する
ことはあるが、その代替燃料としての魅力は事実という
より見せ掛けである。このことは、第一に、現状では燃
料油は比較的燃焼困難で複数個の噴霧ノズルを必要とし
、かかる噴霧ノズルは使用される高温雰囲気においてコ
ーキング問題を起し易いからである。保全及び中断時間
の問題以外にも、燃料油の使用はカーボンブラツク製品
の品質に悪影響を与える。本発明は、必要とする燃焼反
応に循環的に燃料として供給するためにプロセスの排ガ
スすなわち燃焼ガスを利用してオイルフアーネス法によ
りカーボンブラツクを製造する方法を提供する。本発明
を実施する際の出発点として、普通の炭化水素燃料、例
えば、天然ガス、種々の燃料油等を、化学量的に過剰な
少くとも約７０％以上の酸素を含有する酸化剤ガス（０
ｘｉｄａｎｔｇａｓ）の存在下に燃焼させる。カーボン
ブラツク製造用炭化水素原料油を乱流状態の生成燃料ガ
スの混合物中に注入して熱分解により解離させる。炉か
らのカーボンブラツクエーロゾル流出物を水で急冷し、
次いで淵過してカーボンブラツクを回収する。上述のよ
うな定常状態の操作条件が達成された際に、凝縮性ガス
をほとんど含有していないガス状済過物（ＧａｓｅＯｕ
ｓｆｉｌｔｒａｔｅ）の一部分を炭化水素燃の代りに炉
に再循環する。上記ガス状淀過物のリサイクルを上記炭
化水素燃料の燃焼と関連する温度に近い燃焼温度を提供
するのに適した流量で導入入すると共に、同時に最初に
定常状態の条件を達成するのに使用したとほぼ同様な化
学量論的に過剰な酸化剤ガスを導入する。第１図は本発
明方法によりトレツドグレード・カーボンブラツクを製
造する際に使用した供給物質を考慮した物質収支を示し
、かつその上に本発明方法の好適例に従つて縦に連結配
置した（Ｔａｎｄｅｍ）随伴（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）カ
ーボンブラツク反応器への供給物質を説明する物質収支
を示すフローシートである。

本発明を最も効果的に実施できる方法を理解するために
、重要なエネルギーを消費する下流操作を包含するオイ
ルフアーネス法について説明する。

オイルフアーネス法では２種の基本的グレードのカーボ
ンブラツクが生成する。一方のグレードはトレツドブラ
ツクまたは耐摩耗性ブラツクと呼ばれ、全カーボンブラ
ツク生成物の全量の約６０％を占める。他方のグレード
はカーカスブラツタと呼ばれ、その名称の示すようにほ
とんど専らタイヤは構造体の側壁に使用される。カーボ
ンブラツクは比較的均一な大きさに粉砕されたブラツク
粒子からなるブドウ様クラスターすなわち凝集物として
存在する。２種のグレード間の差違は第一にそれぞれの
凝集物の大きさにあり、種々のトレツドグレードの凝集
物の大きさはカーカスグレードの凝集物の大きさより著
しく小さい。

上述のように、オイルフアーネス法によりカーボンブラ
ツクを製造する際に行われる基礎となる熱分解反応は、
ブラツクがトレツドグレートであるにせよまたカーカス
グレードであるにせよ、本質的に同じである。

差異は主として熱分解媒体の乱流程度及び熱分解反応の
厳しさによつて決まる。トレツドブラツクの製造の際に
経験される厳しい条件は、反応時間がカーカスブラツク
を製造する場合より著しく短いことである。系の正味の
熱損失は反応時間に直接比例するから、反応時間が短い
程得られる利点が大きくなる。このことは操作温度が酸
化剤ガスとして空気を使用する場合より著しく高くなる
系を使用する場合に特に当てはまる。従つて、本発明は
トレツドブラツク反応器を操作する場合に実施するのが
好ましい。かかる見場から従来商業的に実施されている
トレツド反応器の操作を説明する。

このタイブの反応器はすべて設計上ほぼ円筒形で、２個
の主要な構造部材から構成されている。上流装置すなわ
ち燃焼室はその長さとほぼ等しいかあるいはその長さよ
り著しく大きい直径を有することを特徴とし、燃焼室の
直径より著しく小さい直径を有しかつ中心を同じくする
よう配列された細長い反応圏すなわちトンネルと連通す
る。反応器を操作する場合には、燃焼室で燃料ガスを化
学量論的に過剰な空気で燃焼させ、次いで燃焼ガスを高
度の乱流状態で反応圏に吹込む。

大部分の炉の設計では乱流状態はトンネルへの入口に制
流装置を設置することにより大きくなる。かかる装置は
改良ベンチユリ設計であることが多いがトンネル直径を
著しく小さくする作用をする簡単なチヨーク型オリフイ
スとすることも可能である。普通カーボンブラツク製造
用原料油を最高乱流位置の近くに注入する。最高乱流位
置は、トンネルの上流端またはその附近、あるいは使用
した場合には制流装置の上流端またはその附近に位置す
る。上述のタイプの代表的な反応器の設計は米国特許第
３０６０００３号に記載されている。カーボンブラツク
炉を操作する場合には所望の仕様の最終生成物の生成を
最終的に支配するいくつかのプロセス操作条件がある。

しかし、本発明を実施する場合には上述の従来技術の実
施法を意味ある程度変更する必要は全くない。最後のプ
ロセス制御は、ここにも差異はないが、熱分解反応を急
冷することである。これは側部開口から水のスプレーを
トンネルに導入することにより達成される。トンネルの
長さに沿つて縦方向に複数個の側部開口を設ける。この
ようにして反応時間を所要の長さに調整する。反応の急
冷に次いで、カーボンブラツクエーロゾルすなわち反応
器流出物をろ過する。

普通操作は反応器流出物を一組のバツクフイルタに通す
ことにより行う。次いで済過装置から回収された微粉状
カーボンブラツクを市販のためにペレツト化する。ペレ
ツト化は乾式法または湿式法により行うことができるが
、後者の力法が工業的に広く使用されている。湿式法で
はこの目的に適した装置で微粉状ブラツクの濃厚な水性
スラリを機械的にかきまぜる。次いで直径約０．７ｍ７
７！のほぼ球形の形態で存在するペレツト化されたカー
ボンブラツクを乾燥する。過操作により水蒸気の形態の
凝縮性ガス分を除去した淀過操作からのガス状済過物を
乾燥器の燃料として使用する。上述のガス状淵過物はそ
の高い窒素含有量のために発熱量が低いので、乾燥操作
はガス状済過物にとつての唯一実際的用途を提供する。
最良の力法で本発明を実施する際には、先ず適当な供給
燃料好ましくは天然ガスをトレツドブラツク反応器に導
入する。

この燃料を化学量論的に過剰な少くとも７０％以上一層
好ましくは約８０％以上の酸素を含有する酸化剤ガスの
存在下に燃焼させる。オンサイト酸素製造設備を使用で
きる場合には、プロセスで使用するために９０〜９５％
酸素を製造することにより最適な総括的経済性が達成さ
れる。本発明を実施する際に使用できる過剰の酸素は供
給燃料を燃焼させるのに必要な化学量論的分量より２５
〜７５％好ましくは４０〜７０％多い分量である。前述
のように発生した排ガスの一部分をプロセス始動時に使
用した燃料の代りに循環させる場合には、定常状態のカ
ーボンブラツク生成条件が達成された後に、この過剰量
を維持する。上述のように酸素含有量の大きい酸化剤ガ
スを使用すると、酸化剤ガスとして空気を使用する場合
に経験する燃焼温度より著しく高い燃焼温度が生ずるが
、それにもかかわらず上述の過剰な酸素は重要な操作パ
ラメータである。

このことは、カーボンブラツク製造用原料油の一部分は
優先的に燃焼するが全く解離しないかあるいは困難を伴
つてのみ解離することがあるから、然りである。しかも
、原料油の一部分が燃焼することは、原料油を迅速に平
衡分解温度にするのに最も有効な方法である。かかる切
実な要求を達成する際に一層高い分解媒体の温度に全面
的に頼ることは、ミリセカンドで測定される反応時間を
有する反応を行う場合に経験されを熱伝達の遅れのため
に、せいぜい妥協である。供給燃料として上述のように
天然ガスを使用するトレツドブラツク反応器の初期操作
では、原料油流量及び収率は短時間で安定化し、かかる
安定化によつて排ガス組成は比較的一定になる。

排ガスの水蒸気及び窒素の含有量を無視すれば、集合体
（Ａｇｇｒｅｇａｔｅ）組成物の代表的組成は水素約４
４％、一酸化炭素約３７％、二酸化炭素約１７？、残部
のメタン及びアセチレンである。ほとんどすべての含有
水蒸気が除去された後のこの時点において、このガスを
天然ガスの燃焼と関連する燃焼温度に近い燃焼温度を提
供する流量で供給燃料として再循環する。同様に、化学
量論的に過剰な酸化剤ガスを維持する。平衡に達した際
に燃焼及び熱分解反応で発生するガスは、組成の点では
、供給燃料として天然ガスを使用する場合に得られる組
成と本質的に同等である。全排ガス流は再循環のために
必要な分量のほぼ２倍過剰である。

従つて、本発明の好適例では、縦に連結配置したカーボ
ンブラツク反応器を操作する際に、過剰の燃焼ガスを空
気で燃焼させる。縦に連結配置した反応器はトレツド反
応器またはカーカス反応器とすることができ、他のプラ
ントの必要条件のために利用できる主反応器からの充分
な分量の燃焼ガスが得られるように適当に上記反応器の
大きさを決めるかあるいは上記反応器を操作する。かか
る他の必要条件は乾燥器用及び一般的なユーテリテイ用
の燃料である。乾燥器を操作する場合には、縦に連結配
置した反応器からの排ガスを主反応器からの過剰な燃焼
ガスで富化したものを燃料として使用するのが好ましい
。上述の説明において指摘したように、本発明の実施に
当つては、処理の立場からは従来技術において行われた
と本質的に同様な方法でカーボンブラツク炉を操作する
。同様に従来技術の炉の設計構造を使用することができ
、任意の特別な設計は選択事項である。このような融和
できる面があるにもかかわらず、本発明を実施するには
炉の構造的な変更が必要である。従来技術の炉は、極め
て少数の例外を除いてすべて、プロセスに固有の高温に
耐えるために、耐火材でライニングした金属シエルであ
る。酸化剤ガスとして純粋もしくはほぼ純粋な酸素を使
用する場合には、生ずる温度は普通の耐火材の耐え得る
温度より高くなる。かかる温度には、反応器シエルを耐
熱鋼から製作し、耐火性ライニングを使用せず、反応器
表面を熱伝導媒体好ましくは水で冷却する手段を設ける
ことにより、耐えることができる。この方法の明らかな
欠点は熱損失が生じることである。しかし、酸化剤ガス
として空気を使用する場合には、空気中の窒素分を反応
温度まで上昇するのに多量の熱が必要であるので、上述
の熱損失のフアクタ一は収支上比較的小さい。次に本発
明を実施例について説明する。

実施例 トレツドグレードブラツク（ＨＡＦ）製造用反応器の操
作を反応器への供給物質を考慮した物質収支に関して説
明することにより本発明を例示する。

この主反応器からの過剰の燃焼ガス、すなわち再循環燃
料にとつて必要である分量より著しく多量のガスを主反
応器と縦に連結配置して操作する２個の随伴反応器への
供給熱料として使用した。一方の随伴反応器はカーカス
グレードブラツク（ＧＰＦ）製造用の普通の設計の反応
器とした。他力の随伴反応器は主反応器で生成するのと
同じ種類のトレツドブラツクを生成するよう設計しかつ
操作した。全操作系を添付したプロツク線図に示す。第
１図から明らかなように、主反応器１では酸化剤ガスと
して酸素を使用するのに対し、随伴反応器２及び３では
酸化剤ガスとして空気を使用した。

主反応器からの燃焼ガスで富化された随伴反応器２及び
３からの燃焼ガスはこれらの反応器と関連する乾燥器の
燃料として使用した。各反応器への種々の供給物質の流
量を、各反応器によるカーボンブラツク生成物の生成量
及び各反応器と関連する燃焼ガスの容積流量と共に図示
する。それぞれの場合における原料油はこの用途に関す
る工業用仕様に合致する重質芳香族残油であつた。上述
のように、酸化剤ガスとして純酸素を使用すると、普通
の耐火物が長い操作期間にわたつて耐えられる温度より
高い温度が生じた。随伴反応器２及び３は耐火材でライ
ニングされているが、主反応器１は全てが金属の装置か
らできており、外部冷却を使用した。この炉の構造上の
設計は米国特許第３０６０００３号に記載されている炉
に相当した。反応器装置の燃焼室部分の内径は４８３ｍ
ｍ（１９インチ）とし、その長さは３８１ｍｍ（１５イ
ンチ）とした。

チヨークオリフイスは直径を１５２ｍｍ（６インチ）と
し、長さを３０５ｍｍ（１フイート）とした。トンネル
圏すなわち反応圏は２個の部分からなり、第１部分すな
わち上流部分は内径を３５６鼎（１４インチ）、長さを
１７２７ｍｍ（６８インチ）とした。炉装置の上述の部
分のすべてに外側シエルを設け、各装置部分に約１２．
７ｍｍ（１／２インチ）の環状間隙を別個に設けた。炉
を操作する場合には、トンネルの上流部分を取囲む環状
間隙中の冷却水流量を１１３．６１（３０ガロン）／分
とし、チヨーク及び燃焼室の回りの環状間隙における流
量をそれぞれ１５０．３１（４０ガロン）／分及び２２
７．１１（６０ガロン）／分とした。トンネルの上流部
分には内径が同じで長さが３５５８ｍｍ（１２フイート
）の耐火材でライリングした部分を連結した。主反応を
操作する場合には、チヨーク部分から３５５８ｍｍ（１
２フイート）下流の点で熱分解反応を急冷した。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一例のフローシートを示すプロツ
ク線図である。 １・・・・・・主反応器、２，３・・・・・・随伴反応
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 常態液体の炭化水素原料油を熱分解によつて解離さ
   せる際に生成する可熱性ガスを解離反応を行うための燃
   料として循環使用するファーネス法により、上流端及び
   下流端を有する細長いほぼ円筒形の反応器を操作してカ
   ーボンブラックを製造するに当り、炭化水素燃料及び化
   学量論的に過剰な少くとも７０容量％以上の酸素を含有
   する酸化剤ガスを上記反応器の上流端に導入し、上記燃
   料を燃焼させて乱流状態の生成燃焼ガスの混合物を生成
   し；上記乱流状態の燃焼ガス混合物に常態液体のカーボ
   ンブラック製造用原料油を注入してカーボンブラックエ
   ーロゾルを生成させ；この熱分解反応を急冷し、上記エ
   ーロゾルを上記反応器の下流端から流出させ、次いでろ
   過によりカーボンブラックを回収し；定常状態が達成さ
   れるまで上述のようにしてカーボンブラックの生成を連
   続的に維持し、次いで濾過され凝縮性ガスをほとんど含
   有していないこのガス状反応器流出物の一部分を、定常
   状態が達成される際に使用した上記炭化水素燃料の代り
   に上記反応器に再循環させ、この際最初に導入した上記
   炭化水素燃料の燃焼と関連する温度に近い燃焼温度を提
   供するのに適した流量で上記流出物を導入すると共に、
   最初に使用したとほぼ同様な化学量論的に過剰な上記酸
   化剤ガスを導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 トレッドグレードカーボンブラックを生成するよう
   に上記反応器を設計し、操作する特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３ 上記ろ過されたガス状反応器流出物の残部を化学量
   論的に過剰な空気と共に少くとも１個以上の他のカーボ
   ンブラック炉に燃料として導入し、ここで燃焼させて乱
   流状態の生成燃焼ガスの混合物を生成させ、この乱流状
   態の混合物にカーボンブラック製造用の常態液体の原料
   油を注入してこれを解離させる特許請求の範囲第２項記
   載の方法。