Brevet FR2669035A1 — publié le 19920515

PROCEDE ET APPAREIL POUR LA PRODUCTION DE NOIR DE CARBONE La présente invention concerne un procédé de production de noir de carbone et un appareil mettant en oeuvre ce procédé, et de manière plus spécifique, un procédé et un appareil pour produire un noir de carbone présentant une structure primaire et un pouvoir colorant tous deux de niveaux très élevés. Parmi les propriétés inhérentes du noir de carbone, la structure primaire et le pouvoir colorant sont considérés comme des caractéristiques importantes pour grandement augmenter et renforcer les propriétés du caoutchouc dans lequel le noir de carbone est incorpore. Par "structure primaire", on entend l'évaluation non destructive des agrégats, en termes d'indice d'ab- sorption au dibutylphtalate d'un échantillon comprimé défini dans la norme ASTM D 3493-85 a (cet indice étant désigné ci-après par " 24 M 4 DBP" pour abréger) Parmi les procédés de fabrication connus d'un noir de carbone présentant 24 M 4 DBP élevé, on compte les suivants L'un des procédés implique l'introduction d'une huile d'alimentation divisée en huiles d'alimen- tation principale et secondaire dans une zone de réac- tion o ces deux huiles d'alimentation sont décom- posées thermiquement par un gaz de combustion à haute température formé en brûlant une huile de combustion (brevet des Etats-Unis 3, 952,087) Un autre procédé consiste à introduire un gaz de combustion à haute température dans une zone de réaction dont le diamètre en aval est réduit de façon à former une gorge et à insérer une buse de pulvérisation d'huile d'alimentation du côté amont dans la zone de réaction le long de l'axe de cette zone, le degré d'insertion de la buse étant ajusté de manière à modifier le point auquel l'huile d'alimentation est délivrée (demande de brevet japonais publiée sous le NO 52-85995) Ces procédés permettent d'augmenter dans une certaine mesure le 24 M 4 DBP. Les procédés classiques cependant ont l'inconvé- nient d'élargir la distribution d'agrégats et par conséquent d'entraîner une réduction notable du pouvoir colorant Pour surmonter cet inconvénient, le demandeur de la présente invention a déjà proposé un procédé dans lequel une pluralité de jets de gaz produits séparément et contenant un précurseur de noir de carbone sont conduits à une vitesse élevée dans une zone de réaction principale pour se rencontrer (publication du brevet japonais NO 62/10580) et une amélioration à ce procédé (publication du brevet japonais 62/20227) On améliore encore grâce à ces procédés le 24 M 4 DBP par rapport aux techniques classiques telles que l'introduction d'une huile d'alimentation en jets divisés Cependant, on ren- contre des difficultés pour obtenir simultanément un accroissement du pouvoir colorant. Ainsi, la structure primaire et le pouvoir colorant sont des propriétés contradictoires du noir de carbone Aucune technique n'a jusqu'ici été développée qui permette d'accroître à la fois ces deux propriétés. La présente invention vise à fournir un procédé de production de noir de carbone présentant simultané- ment un 24 M 4 DBP et un pouvoir colorant relativement accrus, ainsi qu'un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le procédé de fabrication du noir de carbone permettant d'atteindre le but de l'invention comprend: la formation d'un gaz de combustion à haute température en brûlant une huile de combustion, le resserrement progressif du jet de gaz de combustion et l'introduction simultanée d'une huile d'alimentation dans le jet perpendiculairement à son axe, la décomposition thermique de l'huile d'alimentation avec le gaz de combustion à haute température de façon à former un jet resserré d'un gaz résultant contenant un précurseur de noir de carbone, puis le refroidissement du gaz résultant, ledit jet de gaz résultant resserré étant conduit vers une pluralité de fentes prévues dans un prolongement du même diamètre que la partie la plus étroite du jet et parallèle à l'axe du côté aval du point o l'huile d'alimentation est introduite, moyennant quoi le jet de gaz résultant est troublé et agité. L'appareil de fabrication du noir de carbone permettant d'atteindre le but de l'invention comprend: une chambre de combustion de grand diamètre pour brûler une huile de combustion de façon à former un gaz de com- bustion à haute température, une chambre de réaction convergente à la manière d'une gorge et située en aval de la chambre de combustion et reliée coaxialement à celle-ci de façon à décomposer thermiquement l'huile d'alimentation avec le gaz de combustion à haute tempé- rature afin de former un gaz résultant contenant un précurseur de noir de carbone, et une chambre de refroi- dissement de grand diamètre située en aval de la chambre de réaction et reliée coaxialement à celle-ci, ladite chambre de réaction consistant en une gorge convergente et en un prolongement aval de la gorge présentant le même diamètre que celui de la partie la plus étroite de la gorge et pourvue d'une pluralité de nervures sur sa paroi intérieure qui définissent une pluralité de fentes parallèles à l'axe de la chambre de réaction, ladite chambre de réaction étant munie, sur le côté amont de ce prolongement, de moyens pour introduire l'huile d'ali- mentation perpendiculairement à l'axe de la chambre de réaction. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante faite en référence aux dessins sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique longitudi- nale d'un appareil de fabrication de noir de carbone conforme à l'invention; la figure 2 est une section transversale montrant la partie munie de fentes de l'appareil. L'appareil de fabrication de noir de carbone conforme à l'invention sera tout d'abord décrit en liaison avec le mode de réalisation montré sur la figure 1 L'appareil 1 comprend une chambre de combustion 2 de grand diamètre, une chambre de réaction convergente 3, et une chambre de refroidissement de grand diamètre 4. La chambre de réaction 3 est reliée coaxialement, sur le côté aval, à la chambre de combustion 2; et de même, la chambre de refroidissement 4 sur le côté aval extrême est reliée à la chambre de réaction 3, le tout d'une façon continument coaxiale. La chambre de combustion 2 est une zone dans laquelle un gaz de combustion à haute température est formé par la combustion de l'huile combustible La chambre 2 est munie à sa tête d'un brûleur de combustion 6 partiellement inséré dans l'axe central à l'intérieur de la chambre et d'une conduite 7 pour amener de l'air de combustion tangentiellement vers la chambre. La chambre de réaction est une zone dans laquelle l'huile d'alimentation est décomposée thermi- quement par le gaz de combustion à haute température produit dans la chambre de combustion 2 de manière à former un gaz contenant un précurseur de noir de carbone Elle est munie d'une pluralité de moyens d'injection d'huile d'alimentation, par exemple les buses de pulvérisation 8, perpendiculaires à l'axe 5 du four. La chambre de refroidissement 4 est une zone dans laquelle le gaz résultant produit dans la chambre de réaction 3 est refroidi et elle est munie d'un dispo- sitif de refroidissement rapide 9 utilisable en vue d'un refroidissement à l'eau Il est important pour le four de fabrication du noir de carbone selon l'invention que la chambre de réaction 3 consiste en une gorge convergente 3 A et un prolongement il formé en aval de la gorge 3 A et ayant un diamètre égal à celui de la partie la plus étroite 10 de la gorge, le prolongement il possédant une pluralité de nervures 13 faisant saillie intérieurement, formées sur la paroi intérieure 12 et qui définissent une pluralité de fentes 14 parallèles à l'axe 5 (voir figure 2), les buses de pulvérisation 8 de l'huile d'alimentation étant situées sur le côté amont des fentes 14 Bien que les fentes 14 puissent être formées en des endroits quelconques à l'intérieur du prolongement 11, il est préférable que, comme montré sur la figure 1, les extrémités aval des nervures 13 faisant saillie intérieurement soient au niveau de l'extrémité aval du prolongement 11. La figure 2 est une vue en coupe transversale montrant un agencement typique des nervures 13 Les nervures 13 ayant le même contour sont montrées comme étant espacées de façon équidistante les unes des autres sur la paroi intérieure 12 du prolongement il de telle manière que leurs extrémités aval sont au même niveau que l'extrémité aval du prolongement 11, et forment une pluralité de fentes 14 parallèles à l'axe 5 du four. Le diamètre intérieur 1 de la partie munie de fentes, et le nombre et la forme des fentes 14 (c'est-à- dire la taille, la forme et le nombre des nervures 13) sont choisis de manière appropriée en fonction de l'échelle du four de production 1 de noir de carbone, du 24 M 4 BDP et du pouvoir colorant du noir de carbone produit, et des autres facteurs impliqués. Par exemple, pour un prolongement présentant un diamètre intérieur d'environ 180 mm, les nervures 13 ont une hauteur d'environ 15 mm (le diamètre intérieur 1 mesurant approximativement 150 mm) et un total de huit fentes 14 faisant 30 mm de large est formé. On va maintenant expliquer en référence à la figure 1 le fonctionnement du four de noir de carbone 1 mettant en oeuvre l'invention. Tout d'abord, de l'huile combustible est fournie au brûleur de combustion 6 de la chambre de combustion 2 et de l'air est fourni à la conduite 7, de sorte que l'huile combustible brûle pour former un gaz de combustion à haute température Le gaz de combustion à haute température s'écoule dans la chambre de réaction 3, o les buses 8 de pulvérisation d'huile d'alimenta- tion injectent de l'huile d'alimentation dans le courant du gaz de combustion pour le décomposer thermiquement afin de former un gaz contenant un précurseur de noir de carbone Le gaz résultant est conduit à travers le prolongement dans la chambre de refroidissement 4 o il est refroidi avec l'eau pulvérisée par le dispositif de refroidissement rapide 9, et le noir de carbone est récupéré à partir de là dans un collecteur non représenté. Du fait que le prolongement il possède une pluralité de fentes 14 formées parallèlement à l'axe du four comme indiqué ci-dessus (figure 2), le courant de gaz résultant formé dans la chambre de réaction 3 et contenant le précurseur de noir de carbone est agité vigoureusement alors qu'il s'écoule en passant au niveau des fentes 14 Par conséquent, les particules du précurseur de noir de carbone contenues dans le gaz résultant se cognent de manière répétée les unes contre les autres avec violence jusqu'à ce qu'elles s'agrègent les unes aux autres, formant un noir de carbone présen- tant à la fois un 24 M 4 BDP et un pouvoir colorant améliorés. Si l'huile d'alimentation est introduite directement dans les fentes 14, le précurseur de noir de carbone est soumis à une agitation violente aussitôt qu'il est formé Il devient difficile de promouvoir les chocs appropriés des particules du précurseur et leur agrégation Si, au lieu de cela, l'huile d'alimentation est introduite en aval des fentes 14, il n'y a aucune possibilité pour les fentes d'obtenir l'effet d'agita- tion sur le gaz résultant. De plus, si on insère un corps cylindrique sans fente dans le prolongement 11, le passage d'écoulement (section transversale) est réduit par rapport au passage selon la présente invention qui est fourni grâce aux fentes 14 Il en résulte une plus grande perte d'énergie due à l'augmentation de la résistance à l'écoulement du gaz. On décrira maintenant le procédé et l'appareil de l'invention en liaison avec des exemples de l'inven- tion et des exemples comparatifs. EXEHPLES 1 A 3 On a installé un appareil de production de noir de carbone qui, comme montré sur la figure 1, compre- nait: une chambre de combustion 2 de grand diamètre présentant un diamètre de 500 mm et une longueur de 800 mm (y compris 500 mm de partie convergente) et équipée d'une conduite 7 pour alimenter de manière tangentielle un air de combustion et un brûleur de combustion 6 axial, tous deux en tête du four; une chambre de réaction 3 consistant en une gorge 3 A dont le diamètre se réduit progressivement de 250 mm à 180 mm sur une longueur de 700 mm et un prolongement 11 ayant un diamètre constant de 180 mm et une longueur de 300 mm; et une chambre de refroidissement consistant en une partie s'évasant sur 1000 mm de longueur et une partie de grand diamètre présentant un diamètre de 500 mm et une longueur de 5000 mm, le tout disposé coaxialement. Sur la paroi intérieure du prolongement 11, sont prévues une pluralité de nervures, chacune présentant une forme de secteur tronqué en section transversale, espacées d'une distance égale de 30 mm l'une de l'autre, et définissant ainsi un nombre correspondant de fentes 14 de 100 mm de longueur parallèle à l'axe 5 du four (cf. figure 2). Les buses 8 de pulvérisation d'huile d'alimen- tation étaient installées partiellement à travers le corps du four, deux diagonalement par rapport à l'axe 5 en un point intermédiaire de la gorge 3 A pour introduire une huile d'alimentation primaire et six équidistantes par rapport à l'axe au voisinage de l'entrée du prolongement il pour introduire une huile d'alimentation secondaire. Un refroidisseur rapide 9 pour achever la réaction était disposé en un point situé de 4 à 5 m en aval de la chambre de réaction 3. Trois types différents de noirs de carbone ont été fabriqués en utilisant une huile d'alimentation et une huile combustible ayant les caractéristiques et propriétés indiquées sur le tableau 1 et dans les condi- tions données sur le tableau 2. Les caractéristiques des noirs de carbone ainsi obtenus, en relation avec les conditions de fabrication utilisées, sont aussi montrées sur le tableau 2. EXEMPLES COKPARATIFS 1 ET 2 Des noirs de carbone ont été produits en utilisant le même appareil que celui qui a été utilisé dans l'exemple 1 mais dépourvu de fentes, et dans des conditions semblables à celles qui ont été utilisées dans les exemples de l'invention. Les propriétés des noirs de carbone ainsi obtenus avec les conditions de fabrication retenues sont indiquées sur le tableau 2. EXEMPLE COMPARATIF 3 A la place des fentes en forme de rainures définies par les nervures comme dans l'exemple 1, un anneau cylindrique démuni de fentes axiales, ayant un diamètre intérieur de 150 mm, a été disposé dans le prolongement 11, les autres conditions de préparation d'un noir de carbone étant semblables à celles qui ont été vues précédemment. Les propriétés du noir de carbone obtenu, en liaison avec les conditions de fabrication, sont égale- ment montrées sur le tableau 2. Les différentes propriétés ont été déterminées comme suit: la surface spécifique d'adsorption d'azote (N 2 SA) a été déterminée conformément à la procédure de la norme ASTM D 3037-86; l'indice d'absorption du dibutylphtalate a été déterminé conformément à la norme JIS K 6221 ( 1975), 6 1 2; le 24 M 4 BDP a été déterminé conformément à la norme ASTM D 2493-85 a, et le pouvoir colorant a été déterminé conformément à la norme JIS K 6221 ( 1982), en utilisant le noir de carbone commer- cial IRB No 3 comme échantillon témoin. Le tableau 2 montre que les noirs de carbone des exemples 1 à 3 qui satisfont les exigences de la présente invention présentent une amélioriation relative aussi bien en ce qui concerne le 24 M 4 BDP que le pouvoir colorant par surface spécifique unitaire par rapport à ceux des exemples comparatifs On peut donc voir que l'invention confère simultanément un niveau élevé à ses propriétés du produit obtenu. Comme indiqué, l'appareil de fabrication du noir de carbone conforme à l'invention et le procédé de fabrication utilisant l'appareil peut toujours produire de manière régulière un noir de carbone qui combine à la fois une structure primaire et un pouvoir colorant de hauts niveaux Le produit obtenu est par conséquent utile en tant qu'ingrédient destiné à être incorporé dans les articles en caoutchouc, notamment les bandes de roulement de pneumatiques, qui demandent à être puissam- ment renforcées. TABLEAU 1 Huile Huile d'alimen- Propriétés combustible tation Densité vraie ( 15/4 C) 1, 045 1,072 Matières insolubles au toluène (%) 0,02 0,06 Indice BMCI* 125 141 teneur en soufre (%) 0,13 0,42 Point d'ébullition initial ( C) 200 177 Na+ (ppm) 4,7 1,1 K+ (ppm) 0,5 0,4 * Indice de corrélation du Bureaux des Mines. TABLEAU 2 Exemples Exemples Comparatifs 1 2 3 1 2 3 Débit total dair d'ali- i mentation Nm /H 5000 5000 5000 5000 5000 5000 l: Débit d'huile combustible O' (kg/H) 245 245 245 245 245 245 Taux de combustion de v l'huile (%) 200 200 200 200 200 200 c Débit d'huile primaire g (kg/H) O O 170 O 170 O o N " secondaire 1550 1460 1330 1420 1210 1370 rt H Présence de fentes oui oui oui non non oui Forme de fentes cannelure cannelure cannelure annulaire N 2 SA (m 2/g) 95 106 110 97 107 105 0 Indice d'absorytion du dibutylphtalate 131 130 129 129 125 127 % 24 M 4 DBP (ml/100 g) 109 106 104 102 99 102 M Pouvoir colorant (%) 116 124 126 113 121 120 M KO (n REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de noir de carbone, caractérisé en ce qu'il comprend: la formation d'un gaz de combustion à haute température en brûlant une huile de combustion, le resserrement progressif du jet de gaz de combustion et l'introduction simultanée d'une huile d'alimentation dans le jet perpendiculairement à son axe, la décomposition thermique de l'huile d'alimentation avec le gaz de combustion à haute température de façon à former un jet resserré d'un gaz résultant contenant un précurseur de noir de carbone, puis le refroidissement du gaz résultant, ledit jet de gaz résultant resserré étant conduit vers une pluralité de fentes ( 14) prévues dans un prolongement du même diamètre que la partie la plus étroite ( 10) du jet et parallèle à l'axe ( 5) du côté aval du point o l'huile d'alimentation est introduite, moyennant quoi le jet de gaz résultant est troublé et agité. 2 Appareil de fabrication de noir de carbone, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre de combustion ( 2) de grand diamètre pour brûler une huile de combustion de façon à former un gaz de combustion à haute température, une chambre de réaction ( 3) convergente à la manière d'une gorge ( 3 A) et située en aval de la chambre de combustion ( 2) et reliée coaxiale- ment à celle-ci de façon à décomposer thermiquement l'huile d'alimentation avec le gaz de combustion à haute température afin de former un gaz résultant contenant un précurseur de noir de carbone, et une chambre de refroidissement ( 4) de grand diamètre située en aval de la chambre de réaction ( 3) et reliée coaxialement à celle-ci, ladite chambre de réaction ( 3) consistant en une gorge convergente ( 3 A) et en un prolongement aval ( 11) de la gorge ( 3 A) présentant le même diamètre que celui de la partie la plus étroite ( 10) de la gorge et pourvue d'une pluralité de nervures ( 13) sur sa paroi intérieure qui définissent une pluralité de fentes ( 14) parallèles à l'axe ( 5) de la chambre de réaction ( 3), ladite chambre de réaction ( 3) étant munie, sur le côté amont de ce prolongement, de moyens ( 8) pour introduire l'huile d'alimentation perpendiculairement à l'axe ( 5) de la chambre de réaction.