(57)【要約】カーボンブラック又は炭素含有化合物の連続生成のための装置及び方法。本方法は、炭素含有原料を変換することにより実行され、電気エネルギーを用いてプラズマガスを生成し、プラズマガスの方向に直径が狭くなるノズルを通してプラズマガスを加速させ、空気力学的及び電磁的な力により生成される条件下で原料が注入される反応エリアにプラズマガスを誘導することを含み、プラズマガスと原料との間の強力な急速混合が生じることを含む。プラズマチャンバ内への原料の大きな再循環はなく、反応ゾーンは、いかなる接触表面にもすぐには接触しない。反応の生成物は冷却され、カーボンブラック又は炭素含有化合物は、他の反応生成物から分離される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素注入器を含む反応器セクションに接続された、１つのセット又は複数のセットのプラズマ生成電極を含むプラズマ生成セクションを備える、囲まれた粒子生成反応器であり、前記反応器セクションの内部寸法が、前記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも１０％低減され、前記炭化水素注入器が、最大反応器サイズ低減点に、又は前記プラズマ生成電極からみてさらに下流側にある、囲まれた粒子生成反応器。
【請求項２】
前記反応器セクションの前記内部寸法が、前記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも２０％低減される、請求項１に記載の囲まれた粒子生成反応器。
【請求項３】
前記反応器セクションの前記内部寸法が、前記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも３０％低減される、請求項１に記載の囲まれた粒子生成反応器。
【請求項４】
前記反応器セクションの前記内部寸法が、前記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも４０％低減される、請求項１に記載の囲まれた粒子生成反応器。
【請求項５】
前記反応器に接続された熱交換器、前記熱交換器に接続されたフィルタ、前記フィルタに接続された脱気装置、前記脱気装置に接続されたペレタイザ、前記ペレタイザに接続された結合剤混合タンク、及び前記ペレタイザに接続された乾燥機のうちの１つ又は複数をさらに含む、請求項１に記載の囲まれた粒子生成反応器。
【請求項６】
囲まれた粒子生成反応器内でカーボンブラック粒子を作製する方法であって、反応器内で、プラズマ生成電極によって少なくとも６０体積％の水素を含むプラズマを生成するステップと、前記反応器の内部寸法を、前記プラズマ生成電極の下流側に向かって少なくとも１０％低減するステップと、最大反応器サイズ低減点に、又は前記プラズマ生成電極からみてさらに下流側に炭化水素を注入して、カーボンブラック粒子を形成するステップとを含む方法。
【請求項７】
前記反応器セクションの前記内部寸法が、前記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも２０％低減される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記反応器セクションの前記内部寸法が、前記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも３０％低減される、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記反応器セクションの前記内部寸法が、前記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも４０％低減される、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
ジュールで測定される、前記プラズマにより生成された熱の少なくとも５０％が、５００ミリ秒以内に前記炭化水素に伝達される、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記炭化水素が、炭素粒子生成物質量を基準として２００ｋｇ／時間超の速度で供給される、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記反応器に注入された全炭化水素を基準としたカーボンブラックの収率が、反応物質炭素のモルに対する生成物炭素のモルにより測定して８０％超である、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
共有結合により前記炭化水素に元々化学結合していた水素の少なくとも８０モル％が、今では二原子水素として同種原子結合しているように、注入された炭化水素が熱分解される、請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記炭化水素が、前記プラズマから生成された熱により、前記反応器内で約１０００℃以上約３５００℃以下に供される、請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
前記電極が、電極の立方メートル当たり約７０トン超のカーボンブラックの生成速度で消費される、請求項６に記載の方法。
【請求項１６】
前記電極への約２０ミリテスラ〜約１００ミリテスラの磁場の印加により形成される回転アーク放電の使用をさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１７】
前記反応器の生産量が、３キロトン／年超であり、前記水素の流速が少なくとも５００Ｎｍ３／時間（ノルマル立方メートル／時間）であり、炭化水素の流速が少なくとも６７５Ｎｍ３／時間である、請求項６に記載の方法。
【請求項１８】
前記炭化水素が、メタン、エタン、若しくはプロパン又はそれらの混合物である、請求項６に記載の方法。
【請求項１９】
生成された前記カーボンブラックが、その細孔内に高濃度の可燃性ガスを含有し、可燃性ガスは、その後不活性ガスとの置き換えにより除去され、それによって前記カーボンブラックは下流側の機器におけるプロセスに対して安全となる、請求項６に記載の方法。
【請求項２０】
可燃性ガスの濃度が、乾燥基準で３０体積％超である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
生成された前記カーボンブラックが、不活性ガスの上昇流ストリーム内に排出され、前記細孔内に含有される前記可燃性ガスが前記不活性ガス内に拡散される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
絶対圧力の変化を使用して、前記可燃性ガスを不活性ガスと置き換える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記可燃性ガスが、温度の変化により除去される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記不活性ガスが、窒素である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記不活性ガスが、希ガスである、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
前記不活性ガスが、蒸気である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記不活性ガスが、二酸化炭素である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
前記不活性ガスが、希ガス、窒素、蒸気、及び／又は二酸化炭素のうちの２つ以上の混合物である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記プラズマが、７０体積％超のＨ２を含み、ＨＣＮ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＯ、ベンゼン、又は多環芳香族炭化水素のガスのうちの少なくとも１つ又は複数を少なくとも１ｐｐｍのレベルで含む、請求項６に記載の方法。
【請求項３０】
前記多環芳香族炭化水素が、ナフタレン及び／又はアントラセンである、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
生成される前記カーボンブラック粒子が、高温ガスの排出物ストリームとの混合物として生成され、混合物は、前記反応器を出て熱交換器と接触し、熱交換器は、ガスの前記排出物ストリーム及びカーボンブラックの熱エネルギーを５０００ｋＪ／カーボンブラックｋｇ超低減する、請求項６に記載の方法。
【請求項３２】
生成される前記カーボンブラック粒子が、高温ガスの排出物ストリームの混合物中に生成され、混合物は、前記反応器を出て熱交換器と接触し、その後フィルタに通され、フィルタは、前記ガスの５０％超を通過させ、前記カーボンブラック粒子の実質的に全てが前記フィルタ上に捕捉される、請求項６に記載の方法。
【請求項３３】
前記カーボンブラック粒子の少なくとも約９８重量％が、前記フィルタ上に捕捉される、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
生成される前記カーボンブラック粒子が、可燃性ガスを含有する高温ガスの排出物ストリームの混合物中に生成され、混合物は、前記反応器を出て熱交換器と接触し、その後フィルタに通され、前記カーボンブラック粒子の実質的に全てが前記フィルタ上に捕捉され、前記ガスは、その後脱気装置に通され、そこで可燃性ガスの量が１０体積％未満に低減される、請求項６に記載の方法。
【請求項３５】
可燃性ガスが、水素である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
生成される前記カーボンブラック粒子が、可燃性ガスを含有する高温ガスの排出物ストリームの混合物中に生成され、混合物は、前記反応器を出て熱交換器と接触し、前記混合物は、その後フィルタに通され、前記カーボンブラック粒子の実質的に全てが前記フィルタ上に捕捉され、残留ガスを含む前記カーボンブラックは、その後脱気装置に通され、そこで可燃性ガスの量が１０体積％未満に低減され、炭素粒子は、その後結合剤を含む水と混合され、次いでペレットに成形され、続いて乾燥機内で水の大部分が除去される、請求項６に記載の方法。
【請求項３７】
前記プラズマが、ＡＣ電極を使用して生成される、請求項６に記載の方法。
【請求項３８】
前記プラズマが、誘導加熱を使用して生成される、請求項６に記載の方法。
【請求項３９】
約０〜約５ｍＪ／ｍ２の間のＷＳＰを有し、約０．４重量％未満の水素及び約０．５重量％未満の酸素を含有する、請求項６に記載の方法に従って作製されたカーボンブラック粒子。
【請求項４０】
前記電極が、同心円状に配設され、内側及び外側電極の表面積低下の比が、プラズマ生成の間一定である、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本出願は、２０１５年２月３日に出願された仮特許出願第６２／１１１，３４６号の利益及び優先権を主張し、その開示は、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
[0002]本発明が一般に関連する技術分野は、化学変化をもたらすために電気エネルギーを使用するための方法及び装置である。
【背景】
【０００３】
[0003]カーボンブラックを生成するために使用でき、長年にわたり使用されてきたプロセスは数多くある。長年にわたりそのようなカーボンブラックを生成するために使用されたエネルギー源は、主に、炭化水素含有材料をカーボンブラックに変換するために使用される原材料に密接に関連している。製油所残油及び天然ガスは、長い間カーボンブラックの生成のための源であった。いくつか例を挙げると、単純な火炎から油炉、さらにプラズマに至るまで、カーボンブラック生成等の化学プロセスにおいてエネルギー源が時と共に発達してきた。全ての製造の場合のように、そのような生成物を生成するためのより効率的及び効果的な手法が、常に探求されている。エネルギー源の流速及び他の条件の変更、原材料の流速及び他の条件の変更、生成速度の増加、収率の増加、製造機器磨耗特性の低減等が全て、長年にわたりこの探求の一部であり、また引き続きその一部となる。
【０００４】
[0004]本明細書に記載のシステムは、上述の課題に対応し、さらに、より効率的及び効果的な製造プロセスを達成する。
【発明の概要】
【０００５】
[0005] 囲まれた粒子生成反応器が説明され、これは炭化水素注入器を含む反応器セクションに接続された、１つのセット又は複数のセットのプラズマ生成電極を含むプラズマ生成セクションを含み、上記反応器セクションの内部寸法が、上記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも１０％低減され、上記炭化水素注入器が、最大反応器サイズ低減点に、又は、上記プラズマ生成電極からみてさらに下流側にある。
【０００６】
[0006]さらなる実施形態は、上記反応器セクションの上記内部寸法が、上記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも２０％低減される上述の囲まれた粒子生成反応器；上記反応器セクションの上記内部寸法が、上記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも３０％低減される上述の囲まれた粒子生成反応器；上記反応器セクションの上記内部寸法が、上記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも４０％低減される上述の囲まれた粒子生成反応器；上記反応器に接続された熱交換器、上記熱交換器に接続されたフィルタ、上記フィルタに接続された脱気装置、上記脱気装置に接続されたペレタイザ、上記ペレタイザに接続された結合剤混合タンク、及び上記ペレタイザに接続された乾燥機のうちの１つ又は複数をさらに含む上述の囲まれた粒子生成反応器を含む。任意選択で、他の構成要素の非限定例として、搬送プロセス、プロセスフィルタ、サイクロン、分級機又はハンマーミルが追加されてもよい。
【０００７】
[0007]また、囲まれた粒子生成反応器内でカーボンブラック粒子を作製する方法が説明され、これは、反応器内で、プラズマ生成電極によって少なくとも６０体積％の水素を含むプラズマを生成するステップと、上記反応器の内部寸法を、上記プラズマ生成電極の下流側に向かって少なくとも１０％低減するステップと、最大反応器サイズ低減点に、又は上記プラズマ生成電極からみてさらに下流側に炭化水素を注入して、カーボンブラック粒子を形成するステップとを含む。
【０００８】
[0008]さらなる実施形態は、上記反応器セクションの上記内部寸法が、上記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも２０％低減される上述の方法；上記反応器セクションの上記内部寸法が、上記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも３０％低減される上述の方法；上記反応器セクションの上記内部寸法が、上記プラズマ生成電極から下流側に向かって少なくとも４０％低減される上述の方法；ジュールで測定される、上記プラズマにより生成された熱の少なくとも５０％が、５００ミリ秒以内に上記炭化水素に伝達される上述の方法；上記炭化水素が、炭素粒子生成物質量を基準として２００ｋｇ／時間超の速度で供給される上述の方法；上記反応器に注入された全炭化水素を基準としたカーボンブラックの収率が、反応物質炭素のモルに対する生成物炭素のモルにより測定して８０％超である上述の方法；共有結合により上記炭化水素に元々化学結合していた水素のモル含量で少なくとも８０％が、今では二原子水素として同種原子結合しているように、注入された炭化水素が熱分解される上述の方法；上記炭化水素が、上記プラズマから生成された熱により、上記反応器内で約１０００℃以上約３５００℃以下に供される上述の方法；上記電極が、電極の立方メートル当たり約７０トン超のカーボンブラックの生成速度で消費される上述の方法；上記電極が、同心円状に配設され、内側及び外側電極の表面積低下が、プラズマ生成の間一定である上述の方法；上記電極への約２０ミリテスラ〜約１００ミリテスラの磁場の印加により形成される回転アーク放電の使用をさらに含む上述の方法；上記反応器の生産量が、３キロトン／年超であり、水素の流速が少なくとも５００Ｎｍ３／時間（ノルマル立方メートル／時間）であり、炭化水素の流速が少なくとも６７５Ｎｍ３／時間である上述の方法；上記炭化水素が、メタン、エタン、若しくはプロパン又はそれらの混合物である上述の方法；生成された上記カーボンブラックが、その細孔内に高濃度の可燃性ガスを含有し、可燃性ガスは、その後不活性ガスとの置き換えにより除去され、それによって上記カーボンブラックは下流側の機器におけるプロセスに対して安全となる上述の方法を含む。
【０００９】
[0009]また、さらなる実施形態は、可燃性ガスの濃度が、乾燥基準で３０体積％超である上述の方法；生成された上記カーボンブラックが、不活性ガスの上昇流ストリーム内に排出され、上記細孔内に含有される上記可燃性ガスが上記不活性ガス内に拡散される上述の方法；絶対圧力の変化を使用して、上記可燃性ガスを不活性ガスと置き換える上述の方法；上記可燃性ガスが、温度の変化により除去される上述の方法；上記不活性ガスが、窒素である上述の方法；上記不活性ガスが、希ガスである上述の方法；上記不活性ガスが、蒸気である上述の方法；上記不活性ガスが、二酸化炭素である上述の方法、上記不活性ガスが、上述のガスのうちの２つ以上の混合物である上述の方法；上記プラズマが、７０体積％超のＨ２を含み、ＨＣＮ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＯ、ベンゼン、ナフタレン、若しくはアントラセン、又は他の多環芳香族炭化水素のうちの少なくとも１つ又は複数を、少なくとも１ｐｐｍのレベルで含む上述の方法；生成される上記カーボンブラック粒子が、高温ガスの排出物ストリームとの混合物として生成され、混合物は、上記反応器を出て熱交換器と接触し、熱交換器は、ガスの上記排出物ストリーム及びカーボンブラックの熱エネルギーを５０００ｋＪ／カーボンブラックｋｇ超低減する上述の方法；生成される上記カーボンブラック粒子が、高温ガスの排出物ストリームの混合物中に生成され、混合物は、上記反応器を出て熱交換器と接触し、その後フィルタに通され、フィルタは、上記ガスの５０体積％超を通過させ、上記カーボンブラック粒子の実質的に全てが上記フィルタ上に捕捉される上述の方法；上記カーボンブラック粒子の少なくとも約９８重量％が、上記フィルタ上に捕捉される上述の方法；生成される上記カーボンブラック粒子が、可燃性ガスを含有する高温ガスの排出物ストリームの混合物中に生成され、混合物は、上記反応器を出て熱交換器と接触し、その後フィルタに通され、上記カーボンブラック粒子の実質的に全てが上記フィルタ上に捕捉され、上記ガスは、その後脱気装置に通され、そこで可燃性ガスの量が１０体積％未満に低減される上述の方法；上記可燃性ガスが、水素である上述の方法；生成される上記カーボンブラック粒子が、可燃性ガスを含有する高温ガスの排出物ストリームの混合物中に生成され、混合物は、上記反応器を出て熱交換器と接触し、上記混合物は、その後フィルタに通され、上記カーボンブラック粒子の実質的に全てが上記フィルタ上に捕捉され、残留ガスを含む上記カーボンブラックは、その後脱気装置に通され、そこで可燃性ガスの量が１０体積％未満に低減され、炭素粒子は、その後結合剤を含む水と混合され、次いでペレットに成形され、続いて乾燥機内で水の大部分が除去される上述の方法を含む。
【００１０】
[0010]また、約０〜約５ｍＪ／ｍ２の間のＷＳＰを有し、約０．４重量％未満の水素、及び約０．５重量％未満の酸素を含有する、上述のプロセスに従って作製されたカーボンブラック粒子が記述される。
【００１１】
[0011]これらの、及び追加の実施形態は、以下の説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本明細書に記載の典型的な方法及び装置の実施形態の概略図である。
【図２】本明細書に記載の典型的な装置の一実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[0014]本明細書において示される細目は、例示のためのものであり、また本発明の様々な実施形態の実例的な議論のみを目的としており、本発明の原理及び概念的態様の最も有用で容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示される。これに関して、本発明の基本的理解のために必要とされる以上に詳細には本発明の細部を示す試みはなされておらず、説明は、本発明のいくつかの形態がどのようにして実践で具現化され得るかを当業者に明らかとしている。
【００１４】
[0015]ここで、より詳細な実施形態を参照することにより本発明を説明する。しかしながら、本発明は、異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に示される実施形態に限定されるように解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的及び完全となり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供される。
【００１５】
[0016]別段に定義されていない限り、本明細書において使用される技術的及び科学的用語は全て、本発明が属する技術分野の当業者により一般的に理解されているのと同じ意味を有する。本明細書における本発明の説明で使用される専門用語は、特定の実施形態の説明のみを目的とし、本発明の限定を意図しない。本発明の説明及び添付の特許請求の範囲において使用される場合、文脈上異なる意味が明示されていない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は複数形も含むことが意図される。本明細書において言及される全ての出版物、特許出願、特許、及び他の参考文献は、参照することによりその全体が明示的に組み込まれる。
【００１６】
[0017]別段に指定されない限り、本明細書及び特許請求の範囲において使用される成分の量、反応条件等を表現する全ての数字は、全ての場合において「約」という用語により修飾されているものとして理解されたい。したがって、逆の意味が指定されない限り、以下の明細書及び添付の特許請求の範囲に示される数値パラメータは、本発明により得ようとしている所望の特性に依存して変動し得る概数である。少なくとも、特許請求の範囲の均等論の適用を制限する意図はないが、各数値パラメータは、有効桁数及び通常の丸め手法に照らして解釈されるべきである。
【００１７】
[0018]本発明の広い範囲を示す数値範囲及びパラメータは概数であるにもかかわらず、特定の例において示される数値は、可能な限り正確に報告される。しかしながら、いかなる数値も、そのそれぞれの試験測定値に見られる標準偏差から必然的に生じる、ある特定の誤差を本質的に含む。本明細書全体において示されるどの数値範囲も、そのようなより広い数値範囲内に含まれる全てのより狭い数値範囲が本明細書に全て明示的に記載されているかのように、そのようなより狭い数値範囲を含む。
【００１８】
[0019]本発明のさらなる利点の一部は、以下に続く説明において示され、また一部は、説明から明らかとなる、又は本発明の実践により学習され得る。上記の概略的説明及び以下の詳細な説明は共に、単に例示的及び説明的なものであり、請求されるような本発明を制限するものではないことを理解されたい。
【００１９】
[0020]カーボンブラックは古代から、ランプ又は熱プロセスにより作製されていた。２０００年以上も前、古代ローマの文書に、どのようにしてカーボンブラックが作製されたかを説明する言及がある（例えば、Ｄｏｎｎｅｔ、Ｂａｎｓａｌ及びＷａｎｇ、Ｃａｒｂｏｎ  Ｂｌａｃｋ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ：  Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ、１９９３、ｐ．５４）。１９世紀中頃には、塗料、コーティングにおける、及びポリマー中の充填剤としてのより多くの構造及びより多くの実用性を有する、より暗いブラックを調製するために利用されたチャネルプロセスが出現した。１９４０年代初めから５０年代にかけて、新たなプロセスが台頭してきた。制御された量の酸素の存在下で油が燃焼される炉内プロセスが、タイヤ用のエラストマー複合材におけるより良好な性能を可能にする、より高次の構造を有するより暗いブラックを実現した。３０年以内に、チャネルプロセスにより作製されるのは、市場のカーボンブラックの１０％未満となった。今日では、チャネルプロセスは２％未満のカーボンブラックを市場に提供している。
【００２０】
[0021]カーボンブラックプロセスの技術が進化する一方で、現行の炉内プロセスはプロセス上の新たな課題に直面している。カーボンブラックのプラズマに基づく合成は、先端技術の最前線にある。このプロセスは、生成されるカーボンブラック１トン当たり数十キログラムのＮＯｘ及びＳＯｘを伴う炉内プロセスにおける数トンのＣＯ２と比較して、局所的ＣＯ２をほとんど放出せず、またＳＯｘを放出せず、クリーンである。プラズマ技術は２０世紀全体にわたり何度も試みられてきたが、このプロセスに基づく長期的に実行可能な商業生産事業はなかった。
【００２１】
[0022]プラズマは、過去１００年間にわたり、様々な目的で使用されてきた。プラズマは、Ｈｕｌｓ−Ｈｏｅｃｈｓｔ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ａｒｃプロセスにおいて、炭化水素からアセチレンを生成するために使用されてきた。プラズマプロセスは、あらゆる種類の材料を溶接、コーティング、及び切断するために使用され、現在も使用されている（例えば米国特許第４，８６４，０９６号を参照されたい）。また、プラズマプロセスは、有用なガス及びチャーを作製するための廃棄物の処理に使用されてきた（例えば米国特許第８，４４３，７４１号を参照されたい）。電気アークプラズマプロセスを利用して微細炭素粒子を製造するために、いくつかの試みがなされた（例えば米国特許第７，４６２，３４３号を参照されたい）。プラズマプロセスは、微細粒子の生成に有用となり得るが、適切な制御及び特定の高品質エンジニアリングなしでは、最終生成物は有用とはならないことが明らかである。例えば、プラズマ技術による微細炭素粒子の生成に関連した数々の特許（上で列挙された特許、及び米国特許第３，３４４，０５１号；米国特許第２，９５１，１４３号；米国特許第５，９８９，５１２号等、並びに以下で列挙される他の特許）にもかかわらず、微細炭素粒子の大量製造においてプラズマ生成技術を利用した商品はない。
【００２２】
[0023]本明細書に記載の方法及びシステムは、過去のこのプロセスに固有の問題を解決し、ガス又は液体燃料を固体炭素に変換する、現行の炉内プロセスに代わるより効率的でより低汚染のプロセスを可能にする。
【００２３】
[0024]本明細書に記載の方法及びシステムは、ガス又はガス混合物（少なくとも５０体積％のガス）を利用して、プラズマ生成器内で成功裏に使用され得、ガスは、プラズマ状態において反応性及び腐食性である。特に、プラズマガスは、少なくとも５０体積％が水素である。水素ガス混合物は、ＤＣ又はＡＣ源により生成される電気放電が維持されるゾーン内に直接供給される。
【００２４】
[0025]過去において、プラズマ生成器の設計は、その基本構成要素の不十分な単位出力、及びこれらの構成要素が水素プラズマに曝露された際に崩壊する傾向等により、出力、耐腐食性、及びカーボンブラックを生成するための連続運転要件に適合することができず、特に反応時間の損失、資本コストの増加、及びカーボンブラックの非経済的生成をもたらしていた。
【００２５】
[0026]粒子を生成する試作品プラズマ生成器は、数百時間連続的に動作するように設計されており、これらの典型的なプラズマ生成器の１つの単位出力は、約１ＭＷ（メガワット）である。必要とされているのは、腐食環境内で４ＭＷ以上の出力で数千時間連続的に動作し得る反応器である。本明細書に記載の方法及びシステムは、本発明者ら以外失敗していた連続動作及びプラズマプロセスからの高品質カーボンブラックの生成を可能にする。
【００２６】
[0027]様々な工業プロセスのためのプラズマビームは、通常、放電チャンバ及び互いに絶縁された電極を備えるプラズマ生成器により生成される。電気アーク放電は、媒体のフロー中に、放電チャンバ内のこれらの電極間で開始される。後者は、放電中にプラズマ状態まで加熱され、プラズマジェットの形態で生成器から流出する。最も広く使用されているのは、ＤＣ源により電力供給されるプラズマ生成器であり、それらは、設計が最も単純で、電気エネルギーから熱エネルギーへの変換に関する限り最も効率的であり、制御が最も容易である。
【００２７】
[0028]全てのプラズマ生成器構成要素のうち、電極、厳密には電気アークに曝露されるその表面、「アークスポット」は、最も強力な加熱環境にある。これらのエリアにおける熱流束密度は、数千アンペアという高い電流において、１０５〜１０６Ｗ／ｃｍ２（ワット毎平方センチメートル）に達し得る。そのような条件下では、あらゆる既知の金属が溶融し、蒸発する。したがって、その表面における電極の破壊が、典型的な腐食手段である。この腐食は、プラズマ生成器の耐用期間を実質的に縮める。電極腐食は、水素又は酸素等の化学的に活性な元素の存在下で動作するプラズマ生成器において、最も激しい。
【００２８】
[0029]電極の寿命の延長は、電極に対する電気アークの熱的効果を最小限にする能力、及び腐食性媒体に対する電極表面の適切な保護に大きく依存する。これは、電磁場を印加して、電極表面にわたり急速にアークスポットを移動させることでアークスポットの効果を低減し、それによって平均熱流束の密度が電極と電気アークとの間の接触領域まで低減されることにより、ある程度達成され得る。さらに、磁場は、２つの電極間の近接空間の領域外にプラズマを押し出す。これは、腐食性媒体（過熱されたＨ２及び水素ラジカル）の大部分が、電極そのものから分離されることを意味する。一実施形態において、本方法は、トーチの先端部においてトーチの外周に沿って半径方向であるが軸方向で、及び電極の環帯で測定される約２０ミリテスラ〜約１００ミリテスラの磁場を電極に印加することにより形成される、回転アーク放電の使用を含む。約３０〜５０ミリテスラの値が典型的に使用され得る。
【００２９】
[0030]電極腐食を制御するための別の効果的手法は、いくつかの放電のうちの主要アーク放電の電流の分配によるものであり、これによって電極アセンブリの平行接続された電極のそれぞれ、例えば陽極に対する熱的効果が軽減される。例えば、米国特許第２，９５１，１４３号及び米国特許第３，３４４，０５１号を参照されたい。例えば、米国特許第３，３４４，０５１号において、複数の水冷銅陰極が、粒子生成プラズマ反応器の分解をもたらすアークスポットを低減するために利用される。これは興味深い設計であるが、プラズマ電極は、銅及びグラファイトから作製され、銅は、高品質カーボンブラックを作製するために必要な温度（＞１２００℃）において、水素プラズマ雰囲気中で極めて急速に分解する。
【００３０】
[0031]プラズマを採用した別の方法は、複数（例えば３つ以上）のＡＣ電極を用いたものである。ＡＣプラズマシステムの例は、例えば米国特許第７，４５２，５１４号に見出すことができる。ＡＣシステムは、複数の電極を利用することができ、より効率的なエネルギー消費及び電極表面における低減された熱負荷の利点を有する。２８００℃を超える温度で水素を生成する別の手法は、抵抗グラファイト管状チャネルによる誘導加熱の使用である。
【００３１】
[0032]プラズマプロセスにおいてカーボンブラックを作製するための他の試みは、高品質カーボンブラックを生成するのに十分高い温度に到達しない低温マイクロ波プラズマの利用を含んでいた（例えば、ＰＣＴ国際公開第２０１３１８５２１９Ａ１号を参照されたい）。さらに、炭化水素原料をプラズマゾーン内に直接通過させるプロセスもまた、極めて高い温度（＞３２００℃）への原料の曝露に起因して、高品質カーボンブラックを作製することができない。例えば、米国特許第８，４８６，３６４号を参照されたい。また、中国特許出願公開第１０３１６０１４９Ａ号も参照されたく、この出願公開は、より小さい一次粒子を可能とし得るより高い温度に炉内プロセスを移行させるために、超高温燃焼技術としてのプラズマの使用を求めている。
【００３２】
[0033]過去の研究は、特に、水素プラズマ腐食耐性のための正しい構築材料の不足、低温すぎる、又は高温すぎるゾーン内への炭化水素の不適切な注入、カーボンブラック粒子形成プロセスに関する不十分な知識等に起因して、プラズマ処理により商業品質のカーボンブラックを生成できなかった。さらに、例えば生成直後の水素を反応器内に再循環させ、このガスをプラズマガスとして利用することなく炭化水素からカーボンブラックを生成するという単にその経済性のために、多くの試みが失敗しており、それによってこのプロセスは、現行の炉内プロセスと比較して、コストに基づく魅力がはるかに低い。この理由、及び他の理由から、水素プラズマを利用することによる高品質カーボンブラックの製造は、過去において単純に成功裏に達成されていなかった。
【００３３】
[0034]上述の米国特許第５，９８９，５１２号は、プラズマトーチを使用した熱的分解によりカーボンブラック及び水素を生成するためのデバイス及び方法の使用を教示している。調節可能な注入ノズルは、反応器の中央に反応ゾーンを形成するように設計されている。また、反応部分からのプラズマ部分の分離を維持するために、環の使用が採用されている。しかしながら、この特許に記載のような突然の反応器構成の変化が採用される場合、構築材料が急速に劣化し、反応器の故障をもたらす。また、ベンチュリの完全なる利点を得るためには、反応器のスロートにおいて、又はその極めて近くで、炭化水素前駆体の混合が達成されなければならない。
【００３４】
[0035]米国特許第７，４５２，５１４号は、プラズマトーチ、プラズマチャンバ、プラズマチャンバ内への原料の再循環を防止するためのベンチュリ、及び原料が高温プラズマガスに注入される反応チャンバを使用した熱的分解により、カーボンブラック及び水素を生成するためのデバイス及び方法を説明している。全ての例において列挙されているプラズマガスは窒素であり、この特許においては、明らかに極めて異なる環境である水素プラズマを提供する実現可能な特徴はない。この特許に記載の反応器は、プラズマガスとして水素を用いてカーボンブラックを形成しない。水素の極めて低い密度に起因して、この特許に記載の様式で２つの排出物ストリーム（水素プラズマ及び炭化水素）を混合することにより、メタンストリームから水素が偏向し、メタンへの熱伝達は極めて少ない。この特許に記載の反応器は、プラズマガスとして水素を用いて、メタン、熱分解燃料油又は任意の他の炭化水素原料からカーボンブラックを作製しない。反応器は、特に水素ガスプラズマ源からカーボンブラックを作製するためのプラズマの使用を可能にしない。したがって、この特許そのものは、水素の使用を開示しているとしても、最も経済的に実行可能なプラズマガスを使用することを可能にしていない。窒素プラズマは経済的に実行可能ではなく、現行の油ベースの炉内プロセスに対抗し得ず、プラズマは、経済的に競合するには、過半量の水素を含まなければならない。
【００３５】
[0036]例えば米国特許出願公開第２００５／０２３０２４０Ａ１号に記載のように、プラズマを生成するために使用される電極は、生成物ナノ粒子の一部となり得、グラファイト電極は、実際にはプロセス中フラーレンナノ粒子となる。これは、カーボンブラックの製造には経済的ではなく、明細書に記載の方法及びシステムは、水素プラズマを生成するために使用されるグラファイト電極の分解を特に制限している。
【００３６】
[0037]例えば英国特許出願公開第１４００２６６号に記載のように、ガス状原料から多くのグレードのカーボンブラックを調製することは非常に困難である。この文献におけるプロセスは、メタンプラズマを利用して液体前駆体の供給を可能にするための方法に関する。しかしながら、この方法は、炭化水素原料を極めて高い温度（＞３０００℃）に曝露し、低品質カーボンブラックの製造をもたらし得る。さらに、カーボンブラックの製造に液体燃料前駆体がまだ必要とされるため、炉内プロセスを上回るコスト削減はない。さらに、これらの例における炭化水素原料の変換率は９０％未満であり、このプロセスが非経済的プロセスであることをさらに実証している。
【００３７】
[0038]例えば米国特許第８，７７１，３８６号に記載のように、炭化水素原料からプラズマ中で合成ガスが生成される。この種のプロセスに典型的であるように、プラズマから作製される場合、通常カーボンブラックは無用であることから、カーボンブラック又は煤の形成は特に回避される。水素雰囲気中で高品質カーボンブラックを生成するために必要な高温は、電極、スロート、及び反応器の腐食をもたらす。これは、高品質カーボンブラックの生成が合成ガスよりも大幅に価値があるにもかかわらず、米国特許第８，７７１，３８６号に記載のプロセスが特にカーボンブラックの合成を回避しようとしている１つの理由である。
【００３８】
[0039]本明細書において定義されるような囲まれたプロセスは、最低限のプラズマ生成器、反応チャンバ、スロート、主フィルタ、及び脱気チャンバの組合せを含む。これらの構成要素は、酸素及び他の大気ガスを実質的に含まない。プロセスは、本明細書に記載の方法及びシステムに好ましい特定の雰囲気のみを許容するように設定される。特に、酸素は、排除されるか、又は５体積％未満の制御された量で囲まれたプロセスに投入される。プロセスは、プラズマ生成器、プラズマチャンバ、スロート、炉、熱交換器、主フィルタ、脱気チャンバ、及びバックエンドのうちの１つ又は複数を含むように定義される。バックエンドは、任意選択で、反応器に接続された熱交換器、熱交換器に接続されたフィルタ、フィルタに接続された脱気（生成物不活性化）装置、脱気装置に接続されたペレタイザ、ペレタイザに接続された結合剤混合タンク（典型的には結合剤及び水）、並びにペレタイザに接続された乾燥機のうちの１つ又は複数を含んでもよい。これらの構成要素は、図１に概略的に示されている。これらは、例えば本明細書において引用される特許により示されているように、典型的にはカーボンブラック産業において使用される従来の機器である。米国特許第３，９８１，６５９号、米国特許第３，３０９，７８０号及び米国特許第３，３０７，９２３号もまた参照されたい。
【００３９】
[0040]図２は、本明細書に記載の典型的な装置の一実施形態の概略図を示す。従来のプラズマガス（２１）、例えば酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、空気、水素、炭化水素（例えば、メタン、エタン）等（単独で、又は２種以上の混合物として使用される）が、従来のプラズマ形成電極（２０）（これらは典型的には銅、タングステン、グラファイト、モリブデン、銀等で作製される）を含むプラズマ形成ゾーン（２２）内に注入される。このようにして形成されたプラズマは、次いで反応ゾーン（２３）内に進入し、そこでプラズマは炭素含有原料（２４）と反応／相互作用して、カーボンブラック生成物を生成する。裏張り（２６）は、プラズマ形成温度に耐えることができる任意の従来使用されている材料であってもよく、グラファイトが好ましい。また、炭化水素注入器は、最大反応器サイズ低減点（２７）又はプラズマ生成電極からみてさらに下流側（２８）の間の平面上の任意の箇所に位置し得る。代替の実施形態において、炭化水素注入器は、プラズマ生成の上流側のプラズマガス（２１）と同じ場所に位置してもよい。注入器は、同じ場所に位置してもよいが、プラズマ生成の上流側のプラズマガスのフローから空間的に分離されている。
【００４０】
[0041]本明細書において使用される場合、同種原子結合しているとは、結合が、二原子水素又はＨ２の場合と同じ２つの原子間の結合であることを意味する。Ｃ−Ｈは、異種原子結合である。一実施形態において、炭化水素は、異種原子結合Ｃ−Ｈから、同種原子結合Ｈ−Ｈ及びＣ−Ｃに移行する。プラズマからのＨ２はまだ存在するが、これは単に、ＣＨ４又は他の炭化水素原料からのＨ２を指す。
【００４１】
[0042]高温プラズマガスを経済的に生成することは困難である。エネルギー投入のコストから、プロセスの経済性は、プラズマを生成し、次いで天然ガスを熱分解する電気アークよりも、天然ガスバーナーを使用して油を燃焼させる炉内プロセスに分があるように考えられ得る。
【００４２】
[0043]カーボンブラックの最終品質の制御は、プロセス制御及びプロセス最適化に大きく依存している。プラズマプロセスそのものは、３４００℃を超過し得る反応器のある特定領域内での温度で動作する。温度及び混合条件は、数百種類もある様々なグレードのカーボンブラックの全てを作製するように、十分に最適化及び制御される必要がある。この細部への配慮は、炉内プロセスにおいて困難であるが、温度が太陽表面の温度に近いプラズマプロセスにおいてはなおさらである。構築材料は、冷却されなければならない領域を知ることに加えて、反応器全体の主目的を達成するための全ての他の部分を知ることにより決定されなければならず、主目的とは、最大エネルギー効率でのプラズマの効率的生成、最大限の寿命にわたる機能部品の実用性、最小限の熱損失、最大限の水素リサイクル、最大限の混合、及び、全体としてのプラズマ反応器の完全な全体効率を実現するための以前の特性の様々な組合せである。要するに、プロセス全体の複雑性と併せて、最大限の効率で機能する交換可能な部品の全ての総和である反応器は、過去においてこの分野でこれまで達成されたいかなるものにもまして極めて独特である。
【００４３】
[0044]高品質カーボンブラックを作製する多くのプロセスにおいて、ベンチュリゾーンが存在する。最小限のコークス化で高品質で高表面積のカーボンブラックを生成するために、原料と高温ガスとの急速混合が必要である。高品質カーボンブラックは、表面積及びＤＢＰの狭い分布を有する。例えば、試料は、狭い粒径分布及び分岐した一次粒子の狭い分布を有する粒子を有するように調整され得る。これは、固体カーボンブラックへの変換中の炭化水素原料の時間／温度プロファイルにより制御され得る。さらに、多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）の量は、最小限の量（１質量％未満）に保持される。コークス又はグリットの量は、プラズマの高速混合及び高温に起因して、５００ｐｐｍ（パーツパーミリオン）未満である。また、最後に、表面化学は、例えば、特にトレッド複合材における充填材料としての、エラストマー複合材における高い性能に必要とされるものに適合する。これらの細部への配慮は、プラズマプロセスからのカーボンブラックの製造の追及において完全に実践されたことはなく、このため、現在プラズマプロセスから作製された市販のカーボンブラックは存在しない。
【００４４】
[0045]フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）吸収は、所与の質量のカーボンブラックが特定の粘稠性ペーストに達する前に吸収し得るＤＢＰの量を決定することにより、カーボンブラックの相対構造を測定する。サーマルブラックは、任意のカーボンブラックのうち最も低いＤＢＰ数（３２〜４７ｍｌ／１００ｇ）を有し、ごく僅かな粒子凝集又は構造を示す。ＤＢＰは、典型的には、ＡＳＴＭ  Ｄ２４１４−１２に従って測定される。
【００４５】
[0046]微細粒子カーボンブラックを形成する全反応は、炭化水素原料材料の注入後、数ミリ秒以内に完了する。プラズマトーチのアークは、極めて高温であり、システムの主要構成要素を冷却することが重要となる。大きな非効率性を有することなく主要構成要素を冷却することは困難である。いくつかの場合において、熱流束が非常に高いため、現行の冷却方法を使用して既知の構築材料の故障を防止することは不可能である。
【００４６】
[0047]プラズマチャンバは、プラズマ生成の下流側に向かって、円錐又は正方形／スロット端部まで狭まり、又は集束し、次いで、反応器内に発散する前に任意選択で真っすぐとなってもよい。スロートの最も狭い点の下流側、及び反応器内への発散の開始点に向かって、炭化水素原料の注入点が影響を受ける。スロートは、ノズルとして説明され得るが、ノズルを通してプラズマガスが加速され、ノズルのオリフィスは、プラズマガスの方向に狭まる。プラズマガスは、反応器エリア内に誘導され、そこで、空気力学的及び電磁的な力により生成される一般的な条件下で、プラズマガスと原料との間の強力な急速混合が生じ、プラズマチャンバ内への原料の大きな再循環がないように原料が注入され、炭化水素の注入は、反応が生じる空間内のエリアがいかなる表面にも接触しないように制御される。実質的に、水素内の内在エネルギーの５０％超が、炭化水素が注入される点での開始時間を考慮して最初の５００ミリ秒以内に炭化水素排出物ストリームに伝達され、熱は、放射、伝導、熱気体移送又は任意の他の機構により伝達され得る。
【００４７】
[0048]狭まりの所望量は、３つの因子の相互作用により決定される。第１の因子は、炭化水素及び固体炭素粒子のプラズマチャンバ内への再循環である。狭窄部又はスロートをより小さい直径に狭めることにより、より高速のガス流速が、ひいてはプラズマチャンバへのより低い再循環がもたらされる。３０％の狭まりは、２倍のガス速度をもたらす。再循環の所望の低減のために、下流ガス速度が増加したいずれのエリアも、上流領域への再循環の低下をもたらす。したがって、３０％の狭まりが速度を２倍とし、再循環の劇的な低減を提供するが、１０％の狭まりであっても再循環の低減に有益である。
【００４８】
[0049]スロートにおける最大ガス速度により最適な混合が得られるため、混合は、より狭いスロートにより改善される。
【００４９】
[0050]形態係数は、プラズマトーチがスロートを超えて反応器の一部に熱を放射する能力であり、これは、スロートの直径を決定する際に考慮する第３の因子である。形態係数は、スロートがより広い場合増加する。増加した形態係数は、形成粒子にプラズマからの放射の形態でより多くの熱を吸収させるため、また反応器の壁を最大温度に到達させるため、好ましい。増加した形態係数が望ましく、また最小限の再循環での最大限の混合も望ましいため、これらの因子の間で相殺される相互作用が存在する。これらの理由から、スロートにおいてプロセスの直径を低減することが必要であるが、低減は、１０％超、又は２０％超、又は３０％超、又はさらに４０％超であってもよい。異なるグレードのカーボンブラックには、表面積、構造、表面化学特性を標的化すると同時に、未反応の多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）を最小限とし、また生成物中の大型粒子汚染（グリット）を最小限とするために、このパラメータの微調整が必要となり得る。
【００５０】
[0051]カーボンブラック反応の中間生成物は、それらが接触する任意の表面に粘着する傾向を有する。プラズマプロセスにおける大きな課題は、中間生成物がカーボンブラック形成の前に任意の表面と接触するのを防止することである。これは、プラズマチャンバ裏張り、スロート材料、注入器材料、及び反応器自体等の内部構成要素の存続を維持しながら達成されなければならない。過去の課題、及びこれが達成されていない主な理由の１つは、反応器の完全性を維持しながら急速混合を達成する様式で混合を制御することが、過去に発見できなかったことである。プラズマプロセスは、高い密度の比較的低温の炭化水素を、非常に低密度の過度に高温の水素と混合することを必要とする。これらの排出物ストリームの急速混合は、過去から現在まで発見できていなかった。
【００５１】
[0052]スロート、又はスロートのすぐ下流側での炭化水素原料の混合は、プラズマフローに対して接線方向に配向した複数の注入器の使用により達成され得る。軸外角度は、以下で説明される理由から、約５度〜約８５度であることが好ましい。
【００５２】
[0053]この種の反応器に典型的な直径の４つの円形ノズルを考慮すると（ノズルの全直径は、典型的には、注入器が同じ場所に位置する断面の外周の５％未満である）、以下のモデル化研究が適用される。
【００５３】
[0054]低温炭化水素及び高温水素プラズマ排出物ストリームの混合の困難さを示すために、流体力学計算を行った。１つの選択肢は、炭化水素をプラズマフローと共に軸方向に注入することである。これは、反応器の優れた存続性をもたらすが、２つのストリームの混合は低い。軸方向注入を考慮すると、Ｋｅｌｖｉｎ−Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ渦拡散が非常に限られる。別の選択肢は、半径方向に注入することである。２つの排出物ストリームの密度、速度及び温度の差に起因して、半径方向の混合の効果は、混合が僅かであるか全くないこと、水素に内在する熱の非効率的な使用、さらには反応器及び反応器の下流側における構成要素の劣化である。実質的に、炭化水素原料の大半は、軸方向及び半径方向の混合の両方において、水素により熱分解されない。実際に、軸方向及び半径方向の成分の両方を含むフロー（いわゆる「軸外」フロー）であっても、このノズル構成には最適であるが、このプロセスを炉ベースのカーボンブラックと競合的とするのに十分な量の熱分解炭化水素をもたらさない。
【００５４】
[0055]水素の大半が炭化水素原料のカーテン内に捕捉されるように、直径の合計が注入器が同じ場所に位置する断面の外周の５％超を占める複数のノズル、すなわち６つ以上のノズル、又は代替形状のノズル（例えばスリット形状）が利用される場合、水素プラズマから炭化水素原料への熱伝達の最大効率が生じ得る。上の例のように、軸方向の炭化水素注入の場合に、排出物ストリーム間の不十分な混合が生じる。増加したノズル数／調節されたノズル形状による半径方向の注入の場合、混合は増加するが、軸方向の注入と比較して、構成要素の存続性ははるかに悪い。最適化されたノズル数／調節されたノズル形状による５度〜８５度の軸外角度での軸外注入では、構成要素の存続性が最大限となり、混合が最大限となり、コークス化が最小限となる。さらに、異なる密度、温度、速度、及び粘度を有する２つの排出物ストリーム間の混合をさらに高めるために、接線方向のフローを導入することができる。これらの２つのストリームの混合は、重要であると同時に困難である。上記説明における直径は、不規則的又は規則的形状のノズルの最大寸法として定義される。例えば、形状が星型である場合、直径は、最大内部寸法を与える星型の２つの先端の間で測定される。
【００５５】
[0056]反応生成物は、製造後に冷却される。過半量の水素ガスを含むクエンチが使用され得る。このクエンチは、プロセスの反応器部分に注入され得る。
【００５６】
[0057]プロセスガスが大量の表面積に曝露され、したがって冷却されると同時に、生成物ストリームがプロセスを通して輸送される、熱交換器が使用され得る。反応器内の熱交換器は、プラズマプロセスにおける高い温度に起因して、炉内プロセスよりもプラズマプロセスにおいてさらに効率的でなければならない。
【００５７】
[0058]熱交換器は、二重底管板を有するシェルアンドチューブの配置である。表面積の量はスループットに関連し、制限流束として１０ｋＷ／ｍ２（キロワット毎平方メートル）、及び熱伝達係数として３３ｋＷ／ｍ２／Ｋを有する。構成は、熱交換器を管ブロックから保護するために個々の管補償器（延長蛇腹）と組み合わせて管の負荷を支持し得るように、底管板を冷却する空気の一部に対して向流である。いくつかの設計はまた、流入空気を予熱しながら、より高いクリープ強度を有するように底部シェルを冷却する二重シェルを含む。これはまた、次いで熱交換器の低温端部における温度差を低減し、付着物、着火及びグリットを低減する。除去されるエネルギーは、動作条件及びグレードに依存する。このプロセスの可能な改善は、天然ガスが遮断された場合に燃料希薄条件が存在せず、したがって付着物が引火することがないことを含み得る。これは、二重底管板の必要性を軽減し得るが、そのような着火は、非常に有害となり得る。ガス化学及び密度の変化はまた、付着プロセス及びその程度を変化させ得る。現在の設計は、約２０，０００ｋＪ／ｋｇ（キロジュール／キログラム）の熱（ブラック及びガス／蒸気）を除去するような設計である。
【００５８】
[0059]サイクロン、集塵装置、又は他の一次分離デバイス内にバルク分離された後に、カーボンブラックから水素を、特にカーボンブラックの細孔及び構造内に残留する少量の水素を経済的に除去することは困難である。
【００５９】
[0060]４０％超の可燃性ガスを含有するカーボンブラックの形成において作製されたガスをもたらす、プラズマトーチ反応器システム又はカーボンブラックを作製する他のシステムにおいて形成されたカーボンブラック凝集体生成物ストリームの細孔から、水素及び他の可燃性ガスを分離する方法を、以下で説明する。そのようなプロセスは、下流側の大気中での機器に対して著しい安全上の問題を呈する可燃性ガスで満たされた凝集体の細孔から出る排ガスのバルクから、典型的には濾過又は別様に分離されるブラックを生成する。本明細書に記載のように、そのような可燃性ガスはブラック凝集体の細孔から除去され、したがって空気又は空気混合物中でブラックを処理する下流側の機器が保護される。
【００６０】
[0061]さらなる実施形態は、圧力若しくは温度を変化させることによりブラック凝集体の細孔から可燃性ガスを除去すること、又は、生成されたカーボンブラックを不活性ガスの上昇流ストリーム中に排出し、凝集体の細孔内に含まれる水素を不活性ガス中に拡散させること；圧力を変化させる、又は上昇流不活性ガスを提供するために使用される不活性ガスが窒素である上述の方法；圧力を変化させる、又は上昇流不活性ガスを提供するために使用される不活性ガスが希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン等）である上述の方法を含む。
【００６１】
[0062]典型的なプラズマトーチシステム及び他の高負荷カーボンブラックプロセスにおいて生成されたカーボンブラック凝集体の細孔内に捕捉された水素は、窒素の向流により回収される。代替として、水素の除去は、数大気圧からより低い圧力又はさらに真空までの圧力変化のそれぞれにより、可燃性ガスが不活性ガスで置き換わるように、窒素又は別の不活性ガスでの圧力スイングにより行うことができる。他の方法は、温度スイング、又は、水素が経時的に拡散するように単に生成物をフィルタに一晩放置することを含み得る。
【００６２】
[0063]圧力スイングによる脱気は、圧力スイングの使用に必要な圧力変化を格納するための圧力槽を必要とする。圧力スイングの代わりに、又は圧力スイングに追加して真空が使用される場合も、同じことが言える。不連続的ではあるが、そのような圧力スイングは短期間にわたり行われてもよく、したがって比較的短期間での生成物の不活性化をもたらし得る。不活性化とは、可燃性ガスを爆発が生じ得ない安全レベルまで除去することを指し、換言すれば不活性環境を形成することを指す。温度スイングもまた、細孔の可燃性ガスを効果的に置き換えるが、圧力スイング又は向流法より長時間を要する可能性がある。一晩にわたる水素の除去もまた、連続生成プロセスには長すぎる。ブラックの塊を通して、又は流動化されたブラック（例えばブラックの流動床）を通してガスを流すこともまた、可燃性ガスを除去し得るが、必要とされる追加の時間、及び床内でのチャネリングの可能性に起因して、好ましい除去方法とはならない。
【００６３】
[0064]向流実施形態は、ブラックがそれを通って落下する上昇流不活性ガスを構成する。主ユニットフィルタからブラックを排出する際、ブラックは、不活性ガスの上昇流ストリーム中に送られる。ブラックが不活性ガスを通って落下すると、水素が凝集体の細孔から不活性ガス中に拡散する。水素及び他の可燃性ガスの浮力が、このプロセスを補助する。この実施形態は、最小限の窒素の使用、このプロセスからの発生ガスストリーム中の最高濃度の可燃性ガスをもたらし、連続的にプロセスを完了するはずである。
【００６４】
[0065]反応器のバックエンドは、構成要素の非限定例として、ペレタイザ、乾燥機、袋詰め機を含み得る。より多くの構成要素、又はより少ない構成要素が、追加又は除去されてもよい。例えば、ペレタイザの例は、米国特許出願公開第２０１２／０２９２７９４Ａ１号（及びそこで引用されている参考文献）に見出すことができる。ペレタイザに関して、ピン型ペレタイザ内に水、結合剤及びカーボンブラックが典型的に入れられ、ペレタイザを通して処理され、次いで乾燥される。結合剤：カーボンブラックの比は、約０．１：１未満であり、水対カーボンブラックの比は、典型的には約０．１：１〜約３：１の範囲内である。ブラックはまた、生成物中のグリットの割合を低減するために、分級機、ハンマーミル又は他のサイズ低減機器を通過してもよい。
【００６５】
[0066]エネルギーフローは、１．２ｋｇ水／ｋｇカーボンブラック（１２０ＤＢＰ）を必要とするブラックの場合、約３５００ｋＪ／ｋｇである。より低いＤＢＰブラックは、許容される品質のペレットを作製するためにより少ない水を使用し、したがってより少ない熱を必要とする。乾燥機は、乾燥されている材料に少なくとも１５５ｋＷを提供すべきである。スケールは、少なくとも２００ｋｇ／時間（２．５ｋＴ／年（キロトン／年）以上のスケールと同等）であるべきである。代替として、プロセスは、回転ドラムが生成物を高密度化する乾燥ペレット化プロセスを使用してもよい。いくつかの使用においては、ペレット化されていないブラック、いわゆる浮遊性ブラック、又は浮遊性の状態まで再び粉砕されたペレット化ブラックもまた許容され得る。
【００６６】
[0067]乾燥機は、並流パージガス（乾燥機への直接ガス添加）を用いた間接加熱回転乾燥機であってもよい。目的は、高温空気の全酸素分に曝露することなく湿潤したブラックを乾燥させることである。この曝露は、着火をもたらし得る。したがって、パージガス及び高温空気が並流で導入される。これによって、さもなくば内側が湿潤している一方で高温になりすぎる可能性があるブラックの外側の最大温度が制限される。ブラックがより高い温度で乾燥機内に入るように、ペレット化のための水が加熱され得る点でも、可能な効率が存在する。
【００６７】
[0068]カーボンブラックは、中心部が確実に乾燥するように典型的には約２５０℃まで乾燥されるが、約１５０℃の低い温度から、約４００℃の高い温度で乾燥されてもよい。乾燥機内の雰囲気は、カーボンブラックの表面での酸化をもたらすように、又は、ブラックの無傷の「不活性」表面を維持するように制御され得る。酸化雰囲気の例は、約５体積％超の酸素又は約１０体積％超の酸素が存在する雰囲気である。また、少量の酸化のために、雰囲気は、約１体積％〜約１０体積％の間の酸素で制御され得る。ファーネスブラックは、このステップにおいてさらに酸化され得るが、カーボンブラックの表面から自然に存在する酸素を除去するために必要な温度は７００℃を超えるため、ファーネスブラックは、乾燥機内でより無傷とはなり得ない。作製直後のプラズマブラックは、無傷であり、表面に０．２重量％未満の酸素を含有する。したがって、プラズマブラックは、ファーネスブラックと比較して、付加的な能力及び調整可能性を有する。
【００６８】
[0069]向流操作は、エネルギー効率及び生産量効率が高い。実質的に蒸気である雰囲気中での制限された酸化を提供するために、乾燥機バレルへの使用済み（冷却器内等の）空気の添加もまた制限されるべきである。バレルへの空気の添加によって、乾燥機はより熱効率的となり、またより高い生産量がもたらされ得る。しかしながら、乾燥機バレル速度が高すぎる場合、ペレットが乾燥機から一掃され、したがって、パージフィルタ、及び再びペレタイザへの高いリサイクルがもたらされ、効率及び生産量が低減される。また、過度の酸素がブラックの表面に添加され得る。消費される全エネルギーは、蒸気を発生させるためのエネルギー／使用又は販売するエネルギーより低いため、エネルギー効率はある程度重要である。乾燥機の加熱を止めた後でも、空気は約３５０℃のオーダーであるため、まだ多くのエネルギーを有している。このガスは、ボイラに誘導され得る。
【００６９】
[0070]本明細書に記載のカーボンブラックを作製するための改善された方法に加えて、改善されたカーボンブラック粒子もまた生成され得る。粒子は、楕円因子が１．３超であるように、より楕円体状の形状を有してもよい。楕円因子は、楕円の最長寸法の長さを、長さに対して９０度の角度で引いた直線により画定される楕円の幅で除したものである。ファーネスブラック一次粒子の楕円因子は、典型的には１．０から１．３の間である。結晶化度は、Ｌａ又はＬｃに関して、１．０〜４．０の範囲となり得る。Ｌａは、粉末Ｘ線回折結晶構造解析により測定されるような、グラファイト結晶のａｂ面内の結晶性ドメインのサイズである。Ｌｃは、カーボンブラック一次粒子内のグラフェンシートの厚さ、又はグラファイトドメインのｃ軸の長さである。例えば８０％相対湿度雰囲気から水を吸着する親和性により説明されるような、改善されたカーボンブラックの表面の親水成分含量は、カーボンブラック表面積１ｍ２（平方メートル）当たり０．０５〜０．５ｍＬ（ミリリットル）未満の水である。さらに、水素含量は、約０．４％未満である。一次粒子の内部にある細孔を除く表面積は、約１０ｍ２／ｇ（グラム）から約３００ｍ２／ｇまでとなり得、ＤＢＰは、約３２ｍＬ／１００ｇから約３００ｍＬ／１００ｇとなり得る。特性のこれらの組合せは、より高い水親和性をもたらす表面酸基が支配的となる現行の炉内カーボンブラックとは異なる、独特の材料を生成する。プラズマプロセスの水素環境の性質もまた、表面により高い含量の水素が存在し得ることを意味する。より高い水素含量は、例えば、タイヤトレッドの耐摩耗性において有益であることが示されている。また、表面酸素基の欠乏は、エラストマー複合材におけるより速い混合時間及びより速い硬化時間が達成され得るはずであることを示している。したがって、カーボンブラックの表面でのより低い酸素レベルにおいて、同量の水素が、タイヤトレッド及び他のエラストマー充填剤用途における性能のためのより高い表面活性を示し得る。
【００７０】
[0071]以下で言及される水拡散圧力（ＷＳＰ）は、例えば米国特許第８，５０１，１４８号においても説明されている。簡潔に説明すると、相対湿度（ＲＨ）が経時的に徐々に増加される制御雰囲気中で質量増加が測定される。増加は、０〜８０％相対湿度であり、ＷＳＰ（πｅ）は、以下の式として決定される。
【００７１】
【数１】
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式中、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、温度であり、Ａは、試料のＮ２表面積（ＳＡ）−（ＡＳＴＭ  Ｄ６５５６）であり、Ｈ２Ｏは、様々なＲＨで炭素表面に吸着された水の量である。Ｐは、雰囲気中の水の分圧であり、Ｐｏは、飽和圧力であり、ｇは、グラムである。平衡吸着は、様々な別個のＲＨで測定され、次いでＷＳＰ値を得るために曲線下面積が測定される。試料は、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓからの３Ｆｌｅｘシステムを使用して、２５℃で測定される。積分される領域は、０から飽和圧力までである。ｄは、通常通り、ｄの後の増分単位が何であってもそれで積分することを示し、すなわち、圧力の変化する自然対数で積分することを示す。
【００７２】
[0072]表面における官能基に関する情報を得るための別の方法は、Ｂｏｅｈｍにより説明されているような滴定を行うことである（Ｂｏｅｈｍ，ＨＰ「Ｓｏｍｅ  Ａｓｐｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｂｌａｃｋｓ  ａｎｄ  Ｏｔｈｅｒ  Ｃａｒｂｏｎｓ．」  Ｃａｒｂｏｎ  １９９４、７５９頁）。ＷＳＰは、カーボンブラックの全体的親水性を測定するための良好なパラメータであるが、ＷＳＰは、典型的な熱的相脱離（ＴＰＤ）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）、又は滴定法（Ｂｏｅｈｍ滴定）により測定され得るような、表面における官能基の比率を提供しない。プラズマプロセスにおいて作製された、改善されたカーボンブラックのＷＳＰは、典型的には、約０〜約８ｍＪ／ｍ２の間である。これは、炉内で作製されたカーボンブラックの約５〜約２０ｍＪ／ｍ２の典型的な範囲より低い。
【００７３】
[0073]このように、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲内に含まれ得る全ての修正及び変形例を含む。本発明の他の実施形態は、本明細書を考慮することにより、及び本明細書において開示される本発明の実践により、当業者に明らかとなる。本明細書及び例は、例示としてのみ考慮され、本発明の真の範囲及び精神は、以下の特許請求の範囲により示されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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