JPH09241528A - カーボンブラックの製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い生成収率で、二酸化炭素を生成すること
なく高能率でカーボンブラックを製造できる方法および
装置を提供する。 【解決手段】 常温で液体または固体の炭化水素原料を
加熱気化し、気化した炭化水素原料をキャリアガスとと
もに無酸素雰囲気に保持された外熱式熱分解炉に導入
し、所定温度に加熱して熱分解させるカーボンブラック
の製造方法、および常温で液体または固体の炭化水素原
料を加熱気化する原料気化器６と、気化した炭化水素原
料をキャリアガスとともに炉内に導入する原料ノズル12
と、導入された炭化水素原料を熱分解する外熱式熱分解
炉13と、熱分解ガスを冷却する冷却管18と、熱分解ガス
からカーボンブラックを分離する分離器19と、からなる
カーボンブラックの製造装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高純度のカーボン
ブラックを高い生成収率で、能率良く製造することので
きるカーボンブラックの製造方法および製造装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】カーボンブラックの製造方法は、熱分解
法と不完全燃焼法とに大別され、熱分解法には天然ガス
を用いて加熱と熱分解を周期的に繰り返すサーマル法
と、アセチレンの熱分解が発熱反応であることを利用し
てアセチレンガスを連続的に熱分解するアセチレン法と
がある。

【０００３】一方、不完全燃焼法は燃料を燃焼し、その
燃焼熱により原料炭化水素を熱分解してカーボンブラッ
クを生成させるもので、原料の種類によってガスファー
ネス法とオイルファーネス法とに分類されるが、現在で
はゴム用、カラー用カーボンブラックの大部分がオイル
ファーネス法により製造されている。

【０００４】オイルファーネス法の基本的な製造システ
ムは、耐火煉瓦で内張りした円筒状の燃焼域、反応域お
よび反応停止域を同軸的に連設した反応炉を用い、燃焼
域で燃料用炭化水素を過剰の空気により燃焼させて高温
燃焼ガスを生成させ、この高温燃焼ガス流を引き続く反
応域に導き、反応域において高温燃焼ガス流中に原料炭
化水素油を導入し、原料油の一部を燃焼させるとともに
残部を熱分解してカーボンブラックを生成するものであ
る。生成したカーボンブラックを含有するガス流は炉後
部の反応停止域において急冷されて反応が終結し、最終
的に捕集工程で回収するプロセスからなっている。

【０００５】上記プロセスにおいて、原料炭化水素油の
一部はカーボンブラックと水素に熱分解されると同時
に、一部は燃焼反応および分解反応により一酸化炭素、
二酸化炭素、水蒸気などが生成する。したがって、カー
ボンブラックに転化するのは原料炭化水素油の一部であ
り、一般的に原料炭化水素油中の炭素の４０〜８０％が
カーボンブラックに転化し、残部は一酸化炭素、二酸化
炭素、水蒸気などのほか微量のメタンやメチレンなどを
含むガス状燃焼生成物となる。これらのガス状燃焼生成
物はカーボンブラックを分離、捕集したのち多量の空気
により燃焼させ、二酸化炭素に変えて系外に放出してい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようにオイルファ
ーネス法は、原料炭化水素油中の炭素の一部がカーボン
ブラックに転化するものであるから、カーボンブラック
の生成収率が低いうえに地球環境保全の面で有害な二酸
化炭素を多量に放出する問題点がある。更に、生成した
カーボンブラックは多量のガス流中に含有されているの
で、その分離、捕集には大規模な装置が必要となり、製
造能率が低いという難点もある。

【０００７】本発明が目的とする課題は、上記問題点を
解消し、原料炭化水素を一酸化炭素や二酸化炭素などを
生成することなく、炭素、すなわちカーボンブラックと
水素とに分解することにより高い生成収率で、かつ高純
度のカーボンブラックを製造するとともに、副生するガ
ス状燃焼生成物の生成量を抑制して能率良くカーボンブ
ラックを製造することのできるカーボンブラックの製造
方法および製造装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明によるカーボンブラックの製造方法は、常温
で液体または固体の炭化水素原料を加熱気化し、該気化
した炭化水素原料をキャリアガスとともに無酸素雰囲気
に保持された外熱式熱分解炉に導入し、所定温度に加熱
して熱分解させることを構成上の特徴とする。

【０００９】また、その製造装置は、常温で液体または
固体の炭化水素原料を加熱気化する原料気化器６と、気
化した炭化水素原料をキャリアガスとともに炉内に導入
する原料ノズル12と、導入された炭化水素原料を熱分解
する外熱式熱分解炉13と、熱分解ガスを冷却する冷却管
18と、熱分解ガスからカーボンブラックを分離する分離
器19と、からなることを構成上の特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明で用いる原料は常温で液体
または固体の炭化水素であり、炭化水素原料はその沸点
以上の温度に加熱して気化させ、気体状態で熱分解炉に
供給される。炭化水素原料としてはカーボンブラックに
転化する割合の大きい芳香族性のものが好ましく、また
熱分解反応を均一に進めるために単体であることがより
好ましい。具体的にはＦＣＣ残渣油（流動接触分解残渣
油）や石炭系重質油などを用い、所定の温度に加熱して
揮発生溜分を気化させて使用でき、さらにより好ましく
はベンゼン、ナフタレン、アントラセンなどの芳香族性
炭化水素の単体が用いられ、その純度は９５％以上であ
ることが望ましい。

【００１１】気化した炭化水素原料はキャリアガスとと
もに沸点以上の所定温度に保持されながら搬送され、熱
分解炉に導入される。キャリアガスとしては炭化水素の
熱分解により生成するカーボンブラックの性状に悪影響
を与えないように窒素や水素あるいはアルゴンなどの不
活性ガスが好ましく、気化した炭化水素原料と適宜な割
合で混合されて熱分解炉に供給される。

【００１２】熱分解炉は電熱あるいは燃焼バーナにより
外部から加熱する形式の外熱式熱分解炉が用いられ、所
定の温度に加熱保持された熱分解炉に気化させた炭化水
素原料とキャリアガスとの混合ガスが導入される。炭化
水素原料は熱分解炉でカーボンブラックと水素とに熱分
解されるが、この場合に酸化燃焼反応を生起させないこ
とが必要であり、熱分解炉の雰囲気は酸素の存在しない
無酸素雰囲気に保持される。無酸素雰囲気とは遊離酸素
ばかりでなく酸素化合物も存在しない雰囲気をいい、キ
ャリアガスとして用いる窒素や水素あるいはアルゴンな
どの不活性ガスにより無酸素雰囲気を形成、保持するこ
とができる。

【００１３】製造されるカーボンブラックの品質性状
は、熱分解炉に導入する炭化水素原料ガスとキャリアガ
スとの割合ならびに導入するガス流量、および熱分解温
度などを設定することによって、熱分解炉内のガス流
速、滞留時間、カーボンブラックの生成濃度などを調節
することによって制御することができる。

【００１４】熱分解により生成したカーボンブラックと
水素およびキャリアガスとからなる熱分解ガスは、カー
ボンブラックを分離回収後、水素およびキャリアガスと
の混合ガスをキャリアガスとして循環使用することがで
き、また外熱式熱分解炉や原料気化器の燃料として用い
ることも可能である。

【００１５】図１は本発明のカーボンブラックの製造装
置の構成を例示した説明図である。図１において、原料
タンク１には常温で液体または固体の炭化水素原料が入
れられており、常温で固体の原料の場合には予熱用ヒー
タ２により予め融点以上の温度に加熱して液状の状態で
貯蔵されている。炭化水素原料はポンプ３および流量調
節計４により所定流量に制御しながら炭化水素原料送入
管５から原料気化器６に供給される。原料気化器６には
液状の炭化水素原料を気化するための原料気化用ヒータ
７が備えられており、所定温度に加熱することにより原
料を所定の速度で気化し、炭化水素原料ガス排出管８か
ら送出される。

【００１６】窒素、水素、不活性ガスなどのキャリアガ
スはキャリアガスタンク９に保管され、流量調節計10に
より所定の流量に制御して送出する。原料気化器６で気
化した炭化水素原料ガスは、図２に部分拡大図で示した
キャリアガスの流通管11内に流入させることによってキ
ャリアガスと混合され、キャリアガスに搬送されて原料
ノズル12に供給される。この混合ガスは原料ノズル12か
ら所定温度に加熱されている外熱式熱分解炉13の炉心管
14に導入され、炭化水素原料ガスがカーボンブラックと
水素とに熱分解される。熱分解温度は原料となる炭化水
素により異なるが、概ね１２００℃以上であるとが好ま
しい。

【００１７】炭化水素原料ガスとキャリアガスは、原料
気化器６内で混合することもでき、図３に原料気化器６
内で気化した炭化水素原料ガスとキャリアガスを混合す
る装置を部分拡大図で例示した。図３において、気化し
た炭化水素原料ガスはキャリアガス送入管15から所定の
流量で送入されたキャリアガスと混合され、混合ガスは
流通管内を搬送して原料ノズル12から外熱式熱分解炉13
の炉心管14に導入されて熱分解する。

【００１８】外熱式熱分解炉13は電熱式あるいは燃焼バ
ーナ式などの適宜な加熱装置16により所定温度に加熱さ
れており、図１には燃焼バーナ式の加熱装置を示した。
プロパンなどの燃料をバーナ17により燃焼して外熱式熱
分解炉13を所定温度、例えば１４００℃に加熱し、導入
された炭化水素原料ガスをカーボンブラックと水素に熱
分解する。

【００１９】熱分解ガスは外熱式熱分解炉13の出口に設
けた冷却管18で冷却したのち、分離器19によりカーボン
ブラックを分離捕集する。冷却管18には２重管構造の外
部水冷式のものが用いられ、熱分解ガスを例えば５００
℃以下の温度に速やかに冷却する。分離器19は熱分解ガ
ス中のカーボンブラックを分離するもので、濾布による
濾過分離方式やサイクロンによる遠心分離方式など適宜
な分離器が用いられ、カーボンブラックを分離した熱分
解ガスは水素を含む可燃性ガスであるから外熱式熱分解
炉13を加熱する燃料として回収使用することができ、ま
たキャリアガスの一部として循環使用することも可能で
ある。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して詳
細に説明する。

【００２１】実施例１ 図１に示した製造装置により、ベンゼン（純度99％）を
炭化水素原料としてカーボンブラックを製造した。ベン
ゼンを７５g/hrの割合で炭化水素原料送入管５から１０
０℃の温度に調節された原料気化器６に送入してベンゼ
ンを気化した。原料気化器６には図３に示した構造のも
のを用い、キャリアガスとして１００℃の温度に予熱し
た窒素ガスを０．２７m³/hr の割合でキャリアガス送入
管15から原料気化器６に送入した。気化したベンゼンと
窒素の混合ガスは１００℃の温度に保持された状態で原
料ノズル12から外熱式熱分解炉13の炉心管14に導入し
た。外熱式熱分解炉13は、予め炉心管14に窒素ガスを流
通させながらバーナ17により加熱して、温度１４００
℃、無酸素雰囲気の状態に形成、保持されており、ベン
ゼンをカーボンブラックと水素ガスとに熱分解した。熱
分解ガスは外部水冷式の冷却管18により５００℃の温度
に急冷されたのち、分離器19として濾過塔を用いて炉布
上にカーボンブラックを分離回収した。なお、カーボン
ブラックを分離後の水素ガスを含む濾過ガスはバーナ17
の燃料として循環使用した。

【００２２】このようにして得られたカーボンブラック
の特性を測定して、製造条件と対比させて表１に示し
た。また、検出器にＴＣＤ（熱伝導度検出器）またはＦ
ＩＤ（炎イオン化検出器）を備えるガスクロマトグラフ
ィーにより熱分解ガス組成を測定し、供給した炭素の収
支バランスから(1) 式によりカーボンブラック収率を算
出し、これらの結果を表１に併載した。 ガス分析収率（％）＝〔（導入した原料中の炭素量）−（熱分解ガス中の炭 素量）〕／〔（導入した原料中の炭素量）〕×１００…(1)

【００２３】実施例２ 炭化水素原料としてナフタレン（純度99％）を用い、１
００℃に加熱溶融して液状としたものを７５g/hrの割合
で２５０℃の温度に調節した原料気化器６に送入して、
ナフタレンを気化した。原料気化器６は実施例１と同一
のものを用い、窒素ガスをキャリアガスとして、その予
熱温度を２５０℃に設定したほかは、実施例１と同一の
方法、条件により熱分解してカーボンブラックを製造し
た。得られたカーボンブラックについて、実施例１と同
一の方法によりカーボンブラック特性、熱分解ガス組成
を測定し、ガス分析収率を算出した。これらの結果を製
造条件と対比して表１に併載した。

【００２４】実施例３ アントラセン（純度96％）を炭化水素原料に用い、２５
０℃の温度に加熱溶融して液状としたものを７５g/hrの
割合で４００℃の温度に調節した原料気化器６に送入し
て、アントラセンを気化した。原料気化器６は実施例１
と同一のものを用い、窒素ガスをキャリアガスとして、
その予熱温度を４００℃に設定したほかは、実施例１と
同一の方法、条件により熱分解してカーボンブラックを
製造し、得られたカーボンブラックについて、実施例１
と同一の方法によりカーボンブラック特性、熱分解ガス
組成を測定し、ガス分析収率を算出した。これらの結果
を製造条件と対比して表１に併載した。

【００２５】比較例１ 実施例１と同一のベンゼンを炭化水素原料として、ベン
ゼンを７５g/hrの割合で炭化水素原料送入管５から１０
０℃の温度に調節された原料気化器６に送入してベンゼ
ンを気化した。原料気化器６には図３に示した構造のも
のを用い、実施例１の窒素ガスの代わりに空気を使用し
て１００℃の温度に予熱し、この空気を０．２７m³/hr
の割合で原料気化器６に送入した。気化したベンゼンと
空気の混合ガスを１００℃の温度に保持された状態で原
料ノズル12から１４００℃の温度に調節、維持された外
熱式熱分解炉13の炉心管14に導入した。炉心管14内にお
いて、ベンゼンは一部は燃焼し、残部はカーボンブラッ
クと水素とに分解した。熱分解ガスは外部水冷式の冷却
管18により５００℃の温度に急冷されたのち、分離器19
として濾過塔を用いて炉布上にカーボンブラックを分離
回収した。このようにして得られたカーボンブラックに
ついて、実施例１と同一の方法によりカーボンブラック
特性、熱分解ガス組成を測定し、ガス分析収率を算出し
た。これらの結果を製造条件と対比して表１に併載し
た。

【００２６】

【表１】

【００２７】実施例４、５ 炭化水素原料として表２に示した特性のＦＣＣ残渣油と
石炭系重質油を用い、図２に示した原料気化器６に７５
g/hrの割合で送入した。なお、原料気化器６内の温度を
４２０℃に調節し、気化したＦＣＣ残渣油をキャリアガ
ス流通管11を０．２７m³/hの割合で流通する温度４５０
℃の窒素ガス中に流入させて、混合した。この混合ガス
を温度１４００℃、無酸素雰囲気に保持された炉心管14
に導入して熱分解した。実施例１と同一の方法でカーボ
ンブラックを分離回収し、得られたカーボンブラックに
ついて、実施例１と同一の方法によりカーボンブラック
特性、熱分解ガス組成を測定し、ガス分析収率を算出し
た。これらの結果を製造条件と対比して表３に示した。

【００２８】比較例２、３ 実施例４および実施例５の窒素ガスに変えて空気を使用
したほかは、実施例４および実施例５と同一の方法、条
件によりカーボンブラックを製造し、実施例１と同一の
方法によりカーボンブラック特性、熱分解ガス組成を測
定し、ガス分析収率を算出した。これらの結果を製造条
件と対比して表３に併載した。

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】表１および表３の結果から、実施例におい
ては炭化水素原料が燃焼することなく効率よくカーボン
ブラックと水素ガスとに熱分解されるので、一酸化炭素
や二酸化炭素を生成することなく、高い生成収率でカー
ボンブラックが製造できることが判る。また分溜された
気化状態の原料を使用することによって極めて灰分の少
ないカーボンブラックが得られる。

【００３２】

【発明の効果】以上のとおり、本発明のカーボンブラッ
クの製造方法および装置によれば、炭化水素原料を一酸
化炭素や二酸化炭素および水蒸気などを生成することな
く、効率よくカーボンブラックと水素とに熱分解するこ
とができるから、高い生成収率で高純度のカーボンブラ
ックを製造することができる。また、生成する熱分解ガ
ス量も低減化するので能率的にカーボンブラックを製造
することができ、更に地球環境保全のために有害な二酸
化炭素の多量排出を伴うことなく、カーボンブラックを
製造するための方法、装置として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るカーボンブラックの製造装置の構
成を例示した説明図である。

【図２】気化した炭化水素原料ガスをキャリアガスに混
合する方法を例示した部分拡大図である。

【図３】気化した炭化水素原料ガスをキャリアガスに混
合する別の方法を例示した部分拡大図である。

【符号の説明】

１ 原料タンク ２ 予熱用ヒータ ３ ポンプ ４ 流量調節計 ５ 炭化水素原料送入管 ６ 原料気化器 ７ 原料気化用ヒータ ８ 炭化水素原料ガス排出管 ９ キャリアガスタンク 10 流量調節計 11 キャリアガス流通管 12 原料ノズル 13 外熱式熱分解炉 14 炉心管 15 キャリアガス送入管 16 加熱装置 17 バーナ 18 冷却管 19 分離器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 常温で液体または固体の炭化水素原料を
   加熱気化し、該気化した炭化水素原料をキャリアガスと
   ともに無酸素雰囲気に保持された外熱式熱分解炉に導入
   し、所定温度に加熱して熱分解させることを特徴とする
   カーボンブラックの製造方法。
2. 【請求項２】 常温で液体または固体の炭化水素原料
   が、芳香族性炭化水素単体である請求項１記載のカーボ
   ンブラックの製造方法。
3. 【請求項３】 キャリアガスが、窒素、水素あるいは不
   活性ガスである請求項１又は２記載のカーボンブラック
   の製造方法。
4. 【請求項４】 常温で液体または固体の炭化水素原料を
   加熱気化する原料気化器６と、気化した炭化水素原料を
   キャリアガスとともに炉内に導入する原料ノズル12と、
   導入された炭化水素原料を熱分解する外熱式熱分解炉13
   と、熱分解ガスを冷却する冷却管18と、熱分解ガスから
   カーボンブラックを分離する分離器19と、からなること
   を特徴とするカーボンブラックの製造装置。