(57)【要約】【課題】黒度の高いカーボンブラックを高歩留りにて生産するカーボンブラックの製造方法及び装置を提供する。【解決手段】第１反応帯域１内に１０００〜２０００℃の高温の燃焼ガス流を生じさせ、各第１反応帯域１から高温燃焼ガス流を第２反応帯域２にそれぞれ炉体２０の接線方向に導入し、第２反応帯域２内に高温燃焼ガス流の旋回流を形成する。この高温燃焼ガス流の旋回流内にノズル２５からカーボンブラック原料（オイル）を噴霧し、該第２反応帯域内でカーボンブラックを生成させる。ノズルチップ６０は、２流体ノズルチップであり、略筒形状のチップケーシング６１内に流入側から孔板（アダプタ）６３と隔板（コア）６４とが配置されている。噴出口６７の開口軸心線方向はノズルチップ６０の軸心線と角度θ＝５〜９０°にて交叉する。【選択図】　図８
2004027051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させて高温燃焼ガス流を生じさせる第１反応帯域と、
該第１反応帯域から燃焼ガス流が旋回方向に導入され、燃焼ガス流が旋回流を形成する第２反応帯域と、
該第２反応帯域の旋回中心部に対し絞り部を介して接続されており、該第２反応帯域から燃焼ガス流が該絞り部を介して導入されると共に、該燃焼ガス流を降温させる冷却手段を有した第３反応帯域と、
該第２反応帯域内にカーボンブラック原料を噴霧するノズルと、
を有するカーボンブラックの製造装置において、
該ノズルは、カーボンブラック原料を第２反応帯域の旋回ガス流の旋回の非中心領域に平均噴霧粒径１００μｍ以下にて噴霧するものであることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第２反応帯域は、内周面が円筒形又は円錐形状の炉体によって囲まれており、この円筒形又は円錐形の軸心線と同軸に前記ノズルが配置されており、
該ノズル先端部にカーボンブラック原料の噴出口が設けられており、
該噴出口からのカーボンブラック原料の噴出方向と前記軸心線との交叉角度θが５〜９０°であることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
【請求項３】
請求項２において、前記ノズルは、前記軸心線の周囲に複数個の噴出口を有することを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、前記ノズルは２流体ノズルであることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、前記ノズルからのカーボンブラック原料の平均噴霧粒径が１０〜１００μｍであることを特徴とするカーボンブラックの製造装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載のカーボンブラックの製造装置によってカーボンブラックを製造するカーボンブラックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンブラックの製造方法及び装置に関するものであり、特にオイルファーネス法によるカーボンブラックの製造方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オイルファーネス法によるカーボンブラックの製造装置は、燃料を燃焼させて高温燃焼ガス流を生じさせる第１反応帯域と、該第１反応帯域から燃焼ガス流が旋回方向に導入され、燃焼ガス流が旋回流を形成する第２反応帯域と、該第２反応帯域の旋回中心部に対し絞り部を介して接続されており、該第２反応帯域から燃焼ガス流が該絞り部を介して導入されると共に、該燃焼ガス流を降温させる冷却手段を有した第３反応帯域と、該第２反応帯域内にカーボンブラック原料（液体の炭化水素。以下、オイルということがある。）を噴霧するノズルを備えている。
【０００３】
図１はオイルファーネス法によるカーボンブラック製造装置の一例を示す斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【０００４】
第１反応帯域１は円筒形の燃焼筒１０内に設定されている。この燃焼筒１０は後端にバーナ１１が燃焼筒１０と同軸的に設置されている。バーナ１１は、燃焼筒１０内に差し込まれるように設置されている。このバーナ１１の基端側の外周に１次空気を供給するように１次空気供給口１２が設けられている。また、このバーナ１１の先端部の外周側を取り囲む領域に対し、円筒形燃焼筒１０の略接線方向に２次空気を供給するように２次空気供給口１３が設けられている。
【０００５】
第２反応帯域２は大径で短い円筒形の炉体２０内に設定されている。この炉体２０に接線方向に２本の上記燃焼筒１０の先端側が接続されている。２本の燃焼筒１０，１０は平行に且つ炉体２０を挟んで反対側に配置されている。
【０００６】
この炉体２０の中心部にカーボンブラック原料供給用ノズル２５が該炉体２０の一方のエンド面の中央から炉体２０と同軸に差し込まれるようにして設置されている。このノズル２５の先端は、炉体２０の他方のエンド面から所定距離Ｐだけ離隔している。
【０００７】
炉体２０の他方のエンド面中央には、炉体２０よりも著しく小径の円筒形の絞り部２８が接続されており、この絞り部２８を介して円筒形の反応器ケーシング３０が接続されている。このケーシング３０は絞り部２８及び炉体２０と同軸に配置されている。絞り部２８を介してケーシング３０内が炉体２０内に連通している。このケーシング３０内が第３反応帯域として設定されている。ケーシング３０内には水を噴霧してガス温度を降温させるための冷却手段（図示略）が設けれている。
【０００８】
このカーボンブラック製造装置によってカーボンブラックを製造するには、バーナ１１に燃料を供給すると共に１次空気供給口１２及び２次空気供給口１３からそれぞれ空気を供給し、第１反応帯域１内に１０００〜２０００℃の高温の燃焼ガス流を生じさせ、各第１反応帯域１から高温燃焼ガス流を第２反応帯域２にそれぞれ炉体２０の接線方向に導入し、第２反応帯域２内に高温燃焼ガス流の旋回流を形成する。この高温燃焼ガス流の旋回流内にノズル２５からカーボンブラック原料（オイル）を噴霧し、該第２反応帯域内でカーボンブラックを生成させる。
【０００９】
このカーボンブラックを含むガス流は、旋回しながら絞り部２８を介して第３反応帯域３内に導入され、該第３反応帯域内の水噴霧手段から水噴霧を受けて急冷される。
【００１０】
図示は省略するが、第３反応帯域内のカーボンブラックを含むガス流は、その後煙道を経由してサイクロン又はバッグフィルタ等の捕集手段に導入され、カーボンブラックが捕集される。
【００１１】
図４は別のカーボンブラック製造装置の斜視図、図５はＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【００１２】
このカーボンブラック製造装置においては、第２反応帯域２は円筒部２１と円錐部２２とを有した炉体２０’内に設定されている。円筒部２１は前記炉体２０と同一の構成のものであり、前記炉体２０と同様の接続構造にて２本の燃焼筒１０，１０が接続されている。円錐部２２は、該円筒部２１に連なっており、円筒部２１から遠ざかるほど縮径するテーパ形状（円錐台形状）となっている。
【００１３】
この炉体２０’の中心部にカーボンブラック原料供給用ノズル２５が該炉体２０’の一方のエンド面の中央から炉体２０’と同軸に差し込まれるようにして設置されている。
【００１４】
このノズル２５の先端は、円錐部２２の末端から所定距離Ｐだけ円筒部２１側へ離隔している。
【００１５】
この円錐部２２の末端に絞り部２８が連なり、この絞り部２８に反応器ケーシング３０’が連なっている。この反応器ケーシング３０’は、絞り部２８から遠ざかるほど径が若干大きくなるテーパ形状である。この反応器ケーシング３０’内にも、水を噴霧してガス温度を降温させる冷却手段（図示略）が設けられている。
【００１６】
前記図１〜３の場合と同様に、このカーボンブラック製造装置によってカーボンブラックを製造するには、バーナ１１に燃料を供給すると共に１次空気供給口１２及び２次空気供給口１３からそれぞれ空気を供給し、第１反応帯域１内に１０００〜２０００℃の高温の燃焼ガス流を生じさせ、各第１反応帯域１から高温燃焼ガス流を第２反応帯域２にそれぞれ炉体２０’の接線方向に導入し、第２反応帯域２内に高温燃焼ガス流の旋回流を形成する。この高温燃焼ガス流の旋回流内にノズル２５からカーボンブラック原料としての炭化水素（オイル）を噴霧し、該第２反応帯域内でカーボンブラックを生成させる。
【００１７】
このカーボンブラックを含むガス流は、旋回しながら絞り部２８を介して第３反応帯域３内に導入され、該第３反応帯域内の水噴霧手段から水噴霧を受けて急冷される。第３反応帯域内のカーボンブラックを含むガス流は、その後煙道を経由してサイクロン又はバッグフィルタ等の捕集手段に導入され、カーボンブラックが捕集される。
【００１８】
上記ノズル２５の先端に設けられるノズルチップの構造例を図６，図７に示す。図６，７の（ａ）図はそれぞれノズルチップ４０，５０の軸心線方向（燃料流れ方向）の縦断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１９】
図６のノズルチップ４０は圧力噴霧式ノズルチップであり、カーボンブラック原料としてのオイル混合状態で後端部の流入口４１に流入し、旋回小孔（螺旋状スリット）４２及び噴出室４３を経て噴出口４４から噴出される。噴出室４３は、先細のテーパ形状であり、旋回小孔４２から旋回方向に該噴出室４３に流入したオイルが該噴出室４３の内周面に沿って旋回しながら噴出口４４より噴出される。このため、オイルは図６（ａ）に２点鎖線で示されるように、コーン状に広がりながら噴出される。噴出されるオイルはコーン形の液幕状である。この液幕状のオイルは、その後、細かく分断されて液滴状となる。
【００２０】
図７のノズルチップ５０は、２流体ノズルチップであり、略筒形状のチップケーシング５１内に流入側から孔板（アダプタ）５３と隔板（コア）５４とが配置されている。空気は、専用の空気流路から孔板５３の中央孔５３ａを介して第１混合室５５に供給され、オイルはオイル流路から孔板５３の周囲側のオイル孔５３ｂを介して第１混合室５５に供給される。オイルと空気とは第１混合室５５にて混合された後、隔板５４の孔５４ａから第２混合室５６に入り、さらに混合された後、ノズルチップ先端の噴出孔５７から噴出される。この噴出孔５７は周回スリット状である。なお、ノズルチップ５０の先端面には分散板５８が設けられている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上記図６，７のノズルチップを用いてカーボンブラックを製造した場合、生産性が低く、またカーボンブラックの黒度が低いことが見出された。
【００２２】
本発明は、黒度の高いカーボンブラックを効率良く製造することができるカーボンブラック製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明のカーボンブラック製造装置は、燃料を燃焼させて高温燃焼ガス流を生じさせる第１反応帯域と、該第１反応帯域から燃焼ガス流が旋回方向に導入され、燃焼ガス流が旋回流を形成する第２反応帯域と、該第２反応帯域の旋回中心部に対し絞り部を介して接続されており、該第２反応帯域から燃焼ガス流が該絞り部を介して導入されると共に、該燃焼ガス流を降温させる冷却手段を有した第３反応帯域と、該第２反応帯域内にカーボンブラック原料を噴霧するノズルと、
を有するカーボンブラックの製造装置において、該ノズルは、カーボンブラック原料を第２反応帯域の旋回ガス流の旋回の非中心領域に平均噴霧粒径１００μｍ以下にて噴霧するものであることを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明のカーボンブラック製造方法は、このカーボンブラック製造装置を用いてカーボンブラックを製造するものである。
【００２５】
かかる本発明の方法及び装置に従ってカーボンブラックを製造すると、原料油が微細化された状態で炉内に分割導入されるために、第１反応帯域から流入する高温燃焼ガスとの混合が速やかに、高い熱効率で行われるため、油滴の気化が急速に進み、１次粒子径が小さくその分布が狭いカーボンブラックが生成しそれ故黒度が高いカーボンブラックが、高歩留まりで製造される。
【００２６】
本発明では、第２反応帯域は、内周面が円筒形又は円錐形状の炉体によって囲まれており、この円筒形又は円錐形の軸心線と同軸に前記ノズルが配置されており、該ノズル先端部にカーボンブラック原料の噴出口が設けられており、該噴出口からのカーボンブラックの原料の噴出方向と前記軸心線との交叉角度θが５〜９０°、とりわけ１０°〜４５°であることが好ましい。
【００２７】
特に、噴出口の中心と前記軸心線との距離が５ｍｍ〜４０ｍｍでることが好ましい。
【００２８】
さらに、本発明では、ノズルからのカーボンブラック原料の平均噴霧粒径が、１０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００３０】
本発明のカーボンブラックの製造装置は、図１〜３のタイプのものであってもよく、図４，５のタイプのものであってもよい。
【００３１】
本発明では、オイル平均噴霧粒径を１００μｍ以下（好ましくは１０μｍ〜５０μｍ）の微粒状に噴霧するために、ノズル２５として２流体ノズルを用いるのが好ましい。
【００３２】
このノズル２５は、図１〜６の通り、第２反応帯域２を構成する炉体２０，２０’の軸心線上に同軸的に配置されることが好ましく、特に、このノズル２５の先端の噴出口からのオイル噴出方向と該軸心線との交叉角度θが５〜９０°であることが好ましい。
【００３３】
この２流体ノズルのノズルチップの構造例を図８に示す。なお、図８（ａ）はノズルチップの軸心線方向の断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。
【００３４】
図８のノズルチップ６０は、２流体ノズルチップであり、略筒形状のチップケーシング６１内に流入側から孔板（アダプタ）６３と隔板（コア）６４とが配置されている。空気は、専用の空気流路から孔板６３の中央孔６３ａを介して第１混合室６５に供給され、オイルはオイル流路から孔板６３の周囲側のオイル孔６３ｂを介して第１混合室６５に供給される。オイルと空気とは第１混合室６５にて混合された後、隔板６４の孔６４ａから第２混合室６６に入り、さらに混合された後、ノズルチップ先端の噴出孔６７から噴出される。
【００３５】
この噴出口６７は、ノズルチップ６０の先端面の周縁に沿って周方向に一定間隔をおいて複数個好ましくは４〜３０個、好ましくは６〜１２個程度設けられている。噴出口は同一円周上になくても良い。
【００３６】
噴出口６７の開口軸心線方向はノズルチップ６０の軸心線と角度θにて交叉する方向となっている。この交叉角度θは５〜９０°、特に１０°〜４５°であることが好ましい。
【００３７】
ノズルチップ６０の中心軸心線から噴出口６７の中心までの距離は、流そうとする原料油量に応じて設計される。ノズルチップの外径にもよるが、この距離は通常は５ｍｍ〜４０ｍｍ、特に１０ｍｍ〜２５ｍｍ程度であることが好ましい。
【００３８】
ノズルチップ６０の外径は、小さいほうが好ましく、また、噴出口６７の開口径（直径）は、噴霧する原料油の量によって好ましい範囲が異なるが、例示するならば、噴霧する原料油の量が１０００Ｋｇ／Ｈ〜２０００Ｋｇ／Ｈの範囲ならば、ノズルチップ外径が５０ｍｍ程度、噴出口６７の開口径で３〜１０ｍｍ程度である。２０００Ｋｇ／Ｈ以上の場合は噴出口の径は５〜１５ｍｍ程度である。
【００３９】
ノズルとしては、少ない空気量で微細化が図ることが可能な（所謂、空気／液量比が低い）ノズルが好ましく、そのようなノズルを採用した場合、カーボンブラック原料油用ノズルとしても同様の方向が好ましく、例えば原料油量が１０００Ｋｇ／Ｈ〜２０００Ｋｇ／Ｈの範囲では、空気量は５０Ｎｍ３／Ｈ〜２００Ｎｍ３／Ｈが好ましい。
【００４０】
このノズルチップ６０を備えたノズルに対して供給されるカーボンブラック製造用原料（オイル）としては、一般にベンゼン、トルエン、キシレン、ナフタレン、アントラセン等の芳香族炭化水素、クレオソート油、カルボン酸油等の石炭系炭化水素、エチレンボトム油、ＦＣＣオイル等の石油系重質油、アセチレン系不飽和炭化水素、エチレン系炭化水素、ペンタンやヘキサン等の脂肪族飽和炭化水素等が好適に使用される。
【００４１】
ノズル２５の先端と絞り部２８の入り口端との距離Ｐは、図１〜３のカーボンブラック製造装置の場合、１０〜２００ｍｍ、特に２０ｍｍ〜１００ｍｍ程度が好ましく、図４，５のカーボンブラック製造装置の場合、１００〜５００ｍｍ特に２００ｍｍ〜４００ｍｍ程度が好ましい。
【００４２】
図１〜３のカーボンブラック製造装置にあっては、円筒状の第２反応帯域２の内径（直径）は５００ｍｍ〜２０００ｍｍ、特に８００ｍｍ〜１２００ｍｍが好ましく、絞り部２８の内径（直径）は５０ｍｍ〜４００ｍｍ特に１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度が好ましい。
【００４３】
図４，５のカーボンブラック製造装置にあっては、円筒部２１の内径（直径）Ｄは、５００ｍｍ〜２０００ｍｍ、特に８００ｍｍ〜１２００ｍｍが好ましい。円錐部２２の軸心線方向長さＬと円筒部２１の直径Ｄとの比Ｌ／Ｄは０．８〜２．０特に１．１〜１．４が好ましい。
【００４４】
第１反応帯域１から第２反応帯域２に入る燃焼ガスの温度は１０００℃〜２０００℃特に１５００〜２０００℃が好ましい。
【００４５】
【実施例】
以下、実施例及び比較例について説明する。図１〜３に示すカーボンブラック製造装置及び図４，５に示すカーボンブラック製造装置を用い、そのノズル２５に対し図６〜９のいずれかのノズルチップを装着してカーボンブラックを製造した。
【００４６】
製造装置の主用諸元は次の通りである。
【００４７】
【表１】
2004027051.tif 000003
【００４８】
また、各ノズルチップ４０，５０，６０，６０’は次の構成である。
2004027051.tif 000004
【００４９】
なお、ノズルチップ４０，５０，６０’が比較例に係り、ノズルチップ６０が実施例に係る。ノズルチップ６０’は、ノズルチップ６０において、先端面中央に１個の噴出口６７’を設けたものであり、その他の構成はノズルチップ６０と同一である。
【００５０】
各ノズルチップを備えたノズルを有する製造装置により、オイルとクレオソート油を用い、バーナ燃料として重油を用い、表２及び表３に示す条件でカーボンブラックを製造した。
【００５１】
なお、表２中の空気温度は、１次空気及び２次空気の温度であり、熱交換器により表２の温度に高められている。また、表２中の助剤は炭酸カリウムであり、オイルに添加されている。
【００５２】
表３中の特性値の測定方法は次の通りである。
【００５３】
ヨウ素吸着量　　ＪＩＳ　Ｋ６２２１に準拠して測定した。
ＤＢＰ　　　　　ＪＩＳ　Ｋ６２２１に準拠して測定した。
ＣｒＤＢＰ　　　試料２５ｇをシリンダーに入れ、ピストンを差し込み、油圧プレスで２４０００ｐｓｉ（１６８７Ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を５秒間加える。この加圧後、試料を取り出し、１０００μｍの篩に移し、カーボンブラック塊をほぐして、篩を通過させる。この操作を４回繰り返して処理した試料をＪＩＳ　Ｋ６２２１に準拠してＤＢＰ吸収量を測定しＣｒＤＢＰ吸収量
とする。
樹脂黒度
ＰＶＣ樹脂３０ｇを１２５℃に加熱した２本ロールミルにてスリット幅０．３ｍｍで２分間素練りし、試料を０．３ｇ投入後７分間混練して、シート化する。これを同様の方法で「Ｎｅｏ　Ｓｐｅｃｔｒａ　Ｍａｒｋ　ＩＩ」及び三菱化学（株）製「＃４５」及び「チャンネル＃６００」のＰＶＣ黒色シートの黒度をそれぞれ３０点、１０点、２０点と基準値を定め、試料の黒度を視感判定した結果を黒度指数とする。
平均噴霧粒径
噴霧液として水を、噴霧媒体を圧縮空気として、所定の水量と圧縮空気量に流量制御された状態で噴霧させ、ノズル先端から５００ｍｍの位置で、位相ドップラー式レーザー粒子分析計にて液滴径と個数情報を求めこれらの情報からザウタ平均粒子径を計算し、平均噴霧粒径とした。
【００５４】
表３中の「歩留り」は、得られたカーボンブラック重量とノズル２５に供給したクレオソート油との重量比である。
【００５５】
【表２】
2004027051.tif 000005
【００５６】
【表３】
2004027051.tif 000006
【００５７】
表３から明らかな通り、実施例１〜３によると黒度が高いカーボンブラックが高歩留りにて生産される。
【００５８】
その他の考察は次の通りである。
【００５９】
実施例１によると、比較例１に対して黒色度の高いカーボンブラックが得られる。
【００６０】
実施例２によると、比較例３に対して歩留り、生産性が飛躍的に向上する。
【００６１】
実施例３によると、高比表面積のカーボンブラックでも歩留り、生産性が飛躍的に向上する。
【００６２】
実施例４によると、ＣｒＤＢＰが高いカーボンブラックが得られる。
【００６３】
比較例２，５は噴霧液滴径が１００μｍ以下ではあるが、噴出方向が適切でないため所期の効果が得られない。
【００６４】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によると、黒度の高いカーボンブラックを高歩留りにて生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】オイルファーネス法によるカーボンブラック製造装置の一例を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】カーボンブラック製造装置の別例を示す斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。
【図６】ノズルチップ４０の構成図である。
【図７】ノズルチップ５０の構成図である。
【図８】ノズルチップ６０の構成図である。
【図９】ノズルチップ６０’の構成図である。
【符号の説明】
１　第１反応帯域
２　第２反応帯域
３　第３反応帯域
１１　バーナ
２５　ノズル
２８　絞り部
４０，５０，６０，６０’　ノズルチップ
【図１】
2004027051.tif 000007
【図２】
2004027051.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004027051.tif 000012
【図７】
2004027051.tif 000013
【図８】
2004027051.tif 000014
【図９】
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