(57)【要約】【課題】粒径分布がシャープなカーボンブラックを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】バーナ１ａにより第１反応帯域１内に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に導入し、この高温燃焼ガス流にノズル２ａ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。第２反応帯域２に、凸部２ｂを突設して流路断面積を小さくし、ガス流を激しい乱流とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーナから噴出する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導入される、該第１反応帯域よりも小径で且つ軸心線方向において等径である第２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、
該第２反応帯域の該ノズルよりも下流側の第２反応帯域の途中に、該第２反応帯域の流路断面積を小さくする凸部を該第２反応帯域の内面から突設した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、該第２反応帯域から燃焼ガス流が導入されると共に、該燃焼ガス流を降温させる冷却手段を有した第３反応帯域を備えた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１又は２において、前記凸部は、該第２反応帯域の流路断面の周方向を等分する位置に複数個設けられてい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、前記凸部を設けた部分の流路断面積は、第２反応帯域のそれ以外の部分の流路断面積の４０〜９０％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、前記ノズルから凸部までの距離Ｌと第２反応帯域の内径（直径）Ｄとの比Ｌ／Ｄが３〜２０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。
【請求項７】
請求項６において、製造されるカーボンブラックの物性値に対応して前記凸部の位置及び／又は突出高さを調節することを特徴と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導入される小径の第２反応帯域と、該第２反応帯域から燃焼ガス流が導入されると共に、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。各反応帯域はいずれも略筒状であり、同軸状に一直線状に連設されている（例えば、特表平８−５０７５５５号）。
【０００３】
【特許文献１】
特表平８−５０７５５５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記オイルファーネス法によりカーボンブラックを製造する方法及び装置において、製造されるカーボンブラックの粒度分布をシャープなものとすることができるカーボンブラックの製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のカーボンブラックの製造装置は、バーナから噴出する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導入される、該第１反応帯域よりも小径で且つ軸心線方向において等径である第２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、該第２反応帯域の該ノズルよりも下流側の第２反応帯域の途中に、該第２反応帯域の流路断面積を小さくする凸部を該第２反応帯域の内面から突設したことを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明のカーボンブラックの製造方法は、この本発明装置を用いてカーボンブラックを製造するものである。
【０００７】
かかる本発明のカーボンブラックの製造方法及び装置によると、第２反応帯域においてオイルが添加された燃焼ガスが凸部設置域を通過する際に激しい乱流状態となり、カーボンブラックの１次粒子同士の融着が促進され、２次粒子径の分布がシャープなカーボンブラックが製造されるようになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
【０００９】
図１（ａ）は実施の形態に係るカーボンブラック製造装置の平面図、図１（ｂ），（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線断面図、図２は凸部の斜視図である。
【００１０】
このカーボンブラック製造装置は、バーナ１ａを備えており、燃料を酸素含有ガスで燃焼させて高温ガスを発生する第１帯域１、該第１反応帯域１に連なっており、高温ガス中にノズル２ａから芳香族炭化水素等の原料油を導入して不完全燃焼によりカーボンブラックを生成させる第２帯域２、該第２帯域２に連なっており、カーボンブラック含有高温ガスをスプレーノズル３ａからのスプレー水によって冷却し、反応を停止する第３帯域３からなる。
【００１１】
この第２反応帯域２には、ノズル２ａよりも下流側の第２反応帯域途中部分に１対の凸部２ｂが第２反応帯域２の軸心を挟んで流路断面上の直径方向に対峙して突設されている。この対峙して設けられた一組の凸部はｎ組（ｎは正の整数）設けてよく、ｎは通常１〜１０、好ましくは１〜５、特に１〜３である。また、凸部を複数個設ける際には、凸部は、流路断面の周方向を等分する位置に複数個設けられていればよく、例えば凸部３つを流路断面の周方向を等分する様に、配置してもよい。
【００１２】
この実施の形態では、各反応帯域１，２，３は、いずれも円筒形であり、同軸的に且つ一直線状に連なって設置されている。なお、第１反応帯域１と第２反応帯域２との接続部は流路断面積が徐々に小さくなるテーパ状であってもよく、第２反応帯域２と第３反応帯域３との接続部は流路断面積が徐々に大きくなるテーパ状であってもよい。
【００１３】
凸部２ｂは、この実施の形態では図２（ａ）の通り、円柱状であるが、楕円形状、角柱状、多角柱状であってもよく、また、図２（ｂ），（ｃ）の通り半円柱形状の凸部２’ｂであってもよい。さらに、図２（ｄ）の通り、板状の凸部２’’ｂであってもよい。
【００１４】
本発明では、この凸部を設けた部分の流路断面積が凸部を設けてない部分の流路断面積の４０〜９０％特に５０〜８０％であることが好ましい。
【００１５】
ノズル２ａから凸部２ｂまでの距離Ｌと第２反応帯域２の内径（直径）Ｄとの比Ｌ／Ｄは３〜２０特に４〜１５であることが好ましい。凸部２ｂは、第２反応帯域の末端ではなく、それよりも前方に配置される。
【００１６】
この凸部２ｂ（２’ｂ、２’’ｂ）を設けたカーボンブラック製造装置にあっては、生成したカーボンブラックを含む燃焼ガスが凸部２ｂ付近を通過する際に激しい乱流状態となり、カーボンブラックの凝集体径分布がシャープなものとなる。
【００１７】
本発明者の研究によると、この激しい乱流により、カーボンブラックの１次粒子同士の融着が促進され、下記実施例に見られる通り、凝集体のストークス径が大きく、且つ該ストークス径の分布がシャープなカーボンブラックが製造されることが見出された。なお、第３反応帯域３を省略しても相当に特性の優れたカーボンブラックを製造することができるが、バグフィルターやサイクロン等のカーボンブラックの回収装置への熱負荷低減をはかるためにも、第３反応帯域を設けることが好ましい。
【００１８】
また、凸部の位置や突出高さを変えることにより、ストークス径やその分布の異なるカーボンブラックを製造することができることが見出された。
【００１９】
なお、第１反応帯域１中での燃焼ガス中の酸素濃度は１０体積％以下、中でも８体積％以下、更には６体積％以下が好ましく、特に６〜０．０１体積％が好ましい。燃焼ガスの温度は１５００℃以上、中でも１７００℃以上、特に１７００〜２４００℃が好ましい。
【００２０】
第２反応帯域２では、燃焼ガス流速は２５０ｍ／ｓｅｃ以上、特に３００〜１０００ｍ／ｓｅｃが好ましい。第２反応帯域の長さは１０００ｍｍ以上特に１２００〜２０００ｍｍが好ましい。
【００２１】
第２反応帯域の直径は３０〜２００ｍｍ特に３０〜１９０ｍｍとりわけ５０〜１５０ｍｍが好ましい。
【００２２】
凸部２ｂの第２反応帯域軸心線と直交方向の幅は２０〜２００ｍｍ特に３０〜１５０ｍｍとりわけ５０〜１５０ｍｍが好ましい。
【００２３】
凸部２ｂの突出高さは、２０〜２００ｍｍ特に３０〜１５０ｍｍとりわけ５０〜１５０ｍｍが好ましい。
【００２４】
ノズル２ａ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、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。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例及び比較例について説明する。
【００２６】
実施例１〜３
図１，２（ａ）に示すカーボンブラック製造装置を用い、カーボンブラックを製造した。
【００２７】
製造装置の各反応帯域の内径（直径）は次の通りである。
第１反応帯域：長さ６００ｍｍ，直径５００ｍｍ
第２反応帯域：長さ１４００ｍｍ，直径５０ｍｍ
第３反応帯域：長さ６０００ｍｍ，直径２５０ｍｍ
第２反応帯域先端からノズル２ａまでの距離：２００ｍｍ
円柱状凸部２ｂの直径：５０ｍｍ
凸部２ｂの突出高さ：１５ｍｍ
ノズル２ａ〜凸部２ｂ間距離：表１の通り
【００２８】
オイルとしてクレオソート油を１００ｋｇ／Ｈｒで供給し、バーナ燃料として天然ガスを４３Ｎｍ３／Ｈｒにて供給し、表２に示す条件でカーボンブラックを製造した。
【００２９】
なお、１次及び２次空気の合計量は４６８Ｎｍ３／Ｈｒであり、１次空気に酸素を３２Ｎｍ３／Ｈｒ添加した。第１反応帯域中での燃焼ガス中の酸素濃度は６％であった。
【００３０】
表１中の製品品質の測定方法は次の通りである。
窒素吸着比表面積  ：ＪＩＳＫ６２１７に準拠して測定した。
ＤＢＰ吸収量      ：ＪＩＳＫ６２２１に準拠して測定した。
クラッシュドＤＢＰ：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。その加圧後、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吸収量を測定しクラッシュドＤＢＰ吸収量とする。
Ｄｍｏｄ、Ｄ１／２、Ｄ７５：カーボンブラックを精秤し、界面活性剤（ＳＩＧＭＡ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ社製「ＮＯＮＩＤＥＴ  Ｐ−４０」を３滴加えた２０％エタノール水溶液に加えることにより、カーボンブラックの濃度を０．０１重量％とした試料液を、超音波分散機（超音波工業製「超音波発生装置ＵＳＶ−５００Ｖ」）を用いて、振動数を２００ｋＨｚ、出力を１００Ｗとして、５分間分散処理することによりカーボンブラックスラリーとなした。
【００３１】
一方、遠心沈降式の粒度分布測定装置（ＢＲＯＯＫ  ＨＡＶＥＮ  ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ社製「ＢＩ−ＤＣＰ  ＰＡＲＴＩＣＬＳＩＺＥＲ」）に、スピン液（純水）１０ｍｌを注入し、更にバッファー液（２０％エタノール水溶液）１ｍｌを注入した後、前述のカーボンブラックスラリー各１ｍｌを注入し、回転数１００００ｒｐｍで遠心沈降させることにより、ストークス相当径を測定し、図３（ａ）に示すように、ストークス相当径に対して相対的な発生頻度のヒストグラムを作る。
【００３２】
ヒストグラムのピーク（Ａ）から直線ＢをＹ軸に平行に引き、ヒストグラムのＸ軸との交点をＣとする。このときのＣでのストークス直径が、最大頻度ストークス相当径（Ｄｍｏｄ）となる。また直線Ｂの中点をＦとして、Ｆを通りＸ軸に平行に直線Ｇを引く。直線Ｇはヒストグラムの分布曲線と２点Ｄ及びＥで交わる。このときＤ及びＥでの各ストークス直径の差の絶対値が、ストークス相当径半値幅（Ｄ１／２）値である。
【００３３】
体積７５％径（Ｄ７５）は次のように決定した。図３（ａ）のヒストグラムから、それぞれのストークス直径とそのときの頻度から各ストークス直径の凝集体の体積を求め、ストークス直径に対してそのストークス直径までの累積体積の関係を算出する。その関係を曲線Ｒとして図３（ｂ）に示す。なお、図３（ｂ）においてＰは各ストークス直径の凝集体の体積の総和値を表す。ここでこの体積総和値の７５％の値の点をＱとし、ＱよりＸ軸に平行に直線を引いて曲線Ｒとの交点をＳとする。そしてＳからＹ軸に平行に直線を引きＸ軸との交点をＴとする。このときのＴの値が（Ｄ７５）である。
【００３４】
なお、比較例１は、凸部２ｂを省略した他は実施例１〜３と同一の条件でカーボンブラックを製造したものである。
【００３５】
比較例２は、実施例２において、凸部２ｂよりも下流側を第３反応帯域３に向って徐々に拡径するテーパ形状としたものであり、テーパ部の末端は第３反応帯域の先端と同径となっている。
【００３６】
製造されたカーボンブラックの物性を表１に示す。
【００３７】
【表１】
2005023224.tif 000003
【００３８】
表１の通り、実施例１〜３によると粒度分布がシャープなカーボンブラックが製造された。これに対し比較例１は実施例１〜３に比べて粒度分布がブロードである。また、比較例２も実施例１〜３よりもクラッシュドＤＢＰ吸収量が低くＤ７５が大きく、第２反応帯域は、末端に至るまで等径であることが好ましいことが認められた。
【００３９】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によると、粒度分布がシャープなカーボンブラックを生産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係るカーボンブラック製造装置の構成図である。
【図２】凸部の斜視図である。
【図３】カーボンブラックの粒度測定法の説明図である。
【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
１ａ  バーナ
２ａ  ノズル
２ｂ  凸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005023224.tif 000006