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技術 カーボンブラック製造用原料油噴射ノズル

出願人 東海カーボン株式会社
発明者 牧野真一
出願日 2000年8月24日 (20年4ヶ月経過) 出願番号 2000-253516
公開日 2002年2月26日 (18年9ヶ月経過) 公開番号 2002-060649
状態 特許登録済
技術分野 顔料、カーボンブラック、木材ステイン
主要キーワード テーパー部位 下流出口 導入域 冷却水往路 冷却水復路 ノズル外径 品質変動 先端孔
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この項目の情報は公開日時点(2002年2月26日)のものです。
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図面 (4)

課題

ノズルを損傷することなく安定に操業でき、カーボンブラック生成収率の低下を招くことなく、品質変動が小さく、品質定性に優れたカーボンブラック製造用原料油噴射ノズルを提供する。

解決手段

炉頭部燃焼域と、引き続く原料導入域反応域反応停止域とからなり、燃焼域で燃料燃焼して高温燃焼ガス流を生成させ、原料導入域で高温燃焼ガス流に直角方向から原料油噴射導入し、引き続く反応域で原料油を熱分解してカーボンブラックに転化させ、次いで反応停止域で反応生成ガス流を急冷して反応を終結させるカーボンブラック生成プロセスにおいて、原料油噴射ノズルの最外層環状部を流れる冷却水往路と復路に2分割され、ノズル先端部で往路から復路へと変換する冷却水流路を構成し、かつ、原料油噴射ノズルの外径d(mm)を、装着するノズル数N(本、但し、N≧2)との積Ndと原料油導入域の炉内径D(mm)との比Nd/Dの値が1.3未満の関係に設定されたことを特徴とする、カーボンブラック製造用原料油噴射ノズル。

概要

背景

オイルファーネスブラックの基本的な製造技術は、耐火煉瓦内張りした円筒状の燃焼域反応域および反応停止域同軸的に連設した反応炉を用い、燃焼域で燃料燃焼させて高温燃焼ガスを生成させ、燃焼ガス流引き続く反応域に導いて燃焼ガス流中に原料炭化水素油を導入して原料炭化水素油の不完全燃焼および熱分解反応により炭化水素カーボンブラック転化させ、次いで反応停止域においてカーボンブラック含有ガス流急冷して反応を終結させ、最終的にカーボンブラックを捕集工程で回収するプロセスからなっている。

カーボンブラックはゴム補強用充填材顔料着色材などとして広く使用されており、例えば高耐摩耗性が要求される自動車タイヤトレッド用のカーボンブラックには粒子径の小さい高比表面積のカーボンブラックが有用されており、この種のカーボンブラックは、例えば図3に例示するような反応炉により製造されている。

すなわち、図3はカーボンブラック製造用の反応炉を例示した断面略図で、反応炉炉頭に燃焼域1、引き続きその下流に原料導入域2、反応域3、反応停止域4が同軸上に連設され、各部位は耐火煉瓦で内張りされて円筒型構造に構築されている。

燃焼域1は上流に接線方向から空気などの酸化導入ダクト5と軸方向に燃焼用バーナ6を装着した広径燃焼室として形成され、その下流には燃焼室の出口テーパー部位により原料導入域2が連設されている。円筒状の原料導入域2には原料油噴射ノズル7が炉軸に対し直角方向に、すなわち流下する燃焼ガス流に対して直角方向から原料が導入される方向に複数本(通常2〜6本)が装着されている。原料導入域2の下流出口端には円筒状の反応域3が連設され、反応域3の下流側には反応停止域4が形成されている。反応停止域4には急冷用水導入ノズル8が装着され、生成したカーボンブラックを含有する反応ガス流冷却水噴霧導入して急冷し、反応を終結させる。なお、反応停止域4の下流側は図示しない捕集系統に接続している。

この反応炉において、高温の燃焼ガス流中に原料油噴射する原料油噴射ノズル7は常時高温の燃焼ガス雰囲気に曝されているので、通常、通水して冷却しながら使用されている。すなわち、冷却することにより原料油の異常高温化によるコーキングの発生を防止するとともにノズル材質劣化焼損の防止を図っている。

概要

ノズルを損傷することなく安定に操業でき、カーボンブラック生成収率の低下を招くことなく、品質変動が小さく、品質定性に優れたカーボンブラック製造用原料油噴射ノズルを提供する。

炉頭部の燃焼域と、引き続く原料導入域、反応域、反応停止域とからなり、燃焼域で燃料を燃焼して高温燃焼ガス流を生成させ、原料導入域で高温燃焼ガス流に直角方向から原料油を噴射導入し、引き続く反応域で原料油を熱分解してカーボンブラックに転化させ、次いで反応停止域で反応生成ガス流を急冷して反応を終結させるカーボンブラック生成プロセスにおいて、原料油噴射ノズルの最外層環状部を流れる冷却水が往路と復路に2分割され、ノズル先端部で往路から復路へと変換する冷却水流路を構成し、かつ、原料油噴射ノズルの外径d(mm)を、装着するノズル数N(本、但し、N≧2)との積Ndと原料油導入域の炉内径D(mm)との比Nd/Dの値が1.3未満の関係に設定されたことを特徴とする、カーボンブラック製造用原料油噴射ノズル。

目的

すなわち、本発明はこの知見に基づいて完成したもので、その目的は原料油噴射ノズルを損傷することなく安定に操業でき、かつカーボンブラック生成収率の低下を招くことなく、品質変動が小さく品質安定性に優れたカーボンブラック製造用の原料油噴射ノズルを提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

炉頭部燃焼域と、引き続く原料導入域反応域反応停止域とからなり、燃焼域で燃料燃焼して高温燃焼ガス流を生成させ、原料導入域で高温燃焼ガス流に直角方向から原料油噴射導入し、引き続く反応域で原料油を熱分解してカーボンブラック転化させ、次いで反応停止域で反応生成ガス流を急冷して反応を終結させるカーボンブラック生成プロセスにおいて、原料油噴射ノズル最外層環状部を流れる冷却水往路と復路に2分割され、ノズル先端部で往路から復路へと変換する冷却水流路を構成し、かつ、原料油噴射ノズルの外径d(mm)を、装着するノズル数N(本、但し、N≧2)との積Ndと原料油導入域の炉内径D(mm)との比Nd/Dの値が1.3未満の関係に設定されたことを特徴とする、カーボンブラック製造用原料油噴射ノズル。

請求項2

原料油導管と冷却水流路の間に、厚さ1mm以上の断熱層を形成した、請求項1記載のカーボンブラック製造用原料油噴射ノズル。

技術分野

0001

本発明は、オイルファーネス法によるカーボンブラック生成プロセスにおいて反応炉原料油を供給するための原料油噴射ノズルに関する。

背景技術

0002

オイルファーネスブラックの基本的な製造技術は、耐火煉瓦内張りした円筒状の燃焼域反応域および反応停止域同軸的に連設した反応炉を用い、燃焼域で燃料燃焼させて高温燃焼ガスを生成させ、燃焼ガス流引き続く反応域に導いて燃焼ガス流中に原料炭化水素油を導入して原料炭化水素油の不完全燃焼および熱分解反応により炭化水素をカーボンブラックに転化させ、次いで反応停止域においてカーボンブラック含有ガス流急冷して反応を終結させ、最終的にカーボンブラックを捕集工程で回収するプロセスからなっている。

0003

カーボンブラックはゴム補強用充填材顔料着色材などとして広く使用されており、例えば高耐摩耗性が要求される自動車タイヤトレッド用のカーボンブラックには粒子径の小さい高比表面積のカーボンブラックが有用されており、この種のカーボンブラックは、例えば図3に例示するような反応炉により製造されている。

0004

すなわち、図3はカーボンブラック製造用の反応炉を例示した断面略図で、反応炉炉頭に燃焼域1、引き続きその下流に原料導入域2、反応域3、反応停止域4が同軸上に連設され、各部位は耐火煉瓦で内張りされて円筒型構造に構築されている。

0005

燃焼域1は上流に接線方向から空気などの酸化導入ダクト5と軸方向に燃焼用バーナ6を装着した広径燃焼室として形成され、その下流には燃焼室の出口テーパー部位により原料導入域2が連設されている。円筒状の原料導入域2には原料油噴射ノズル7が炉軸に対し直角方向に、すなわち流下する燃焼ガス流に対して直角方向から原料が導入される方向に複数本(通常2〜6本)が装着されている。原料導入域2の下流出口端には円筒状の反応域3が連設され、反応域3の下流側には反応停止域4が形成されている。反応停止域4には急冷用水導入ノズル8が装着され、生成したカーボンブラックを含有する反応ガス流冷却水噴霧導入して急冷し、反応を終結させる。なお、反応停止域4の下流側は図示しない捕集系統に接続している。

0006

この反応炉において、高温の燃焼ガス流中に原料油を噴射する原料油噴射ノズル7は常時高温の燃焼ガス雰囲気に曝されているので、通常、通水して冷却しながら使用されている。すなわち、冷却することにより原料油の異常高温化によるコーキングの発生を防止するとともにノズル材質劣化焼損の防止を図っている。

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、原料油噴射ノズル7の過度の冷却は、予熱された原料油の温度低下を招き、原料油を熱分解してカーボンブラックに転化する際の熱エネルギーを増大させることとなり、カーボンブラックの生成収率を低下させる一因ともなる。更に、原料油導入時にはノズル周辺炉内温度局所的に低下することになるので、原料油噴射ノズル7の周辺部を中心に温度分布が生じ、熱分解温度バラツキによるカーボンブラックの品質、例えば比表面積(粒子径)の変動を増大させることになる。

0008

すなわち、原料油噴射ノズル7を過度に冷却したり、ノズルの数が多く、その外径が大きい程、カーボンブラックの生成収率および品質変動に大きな影響を与えることになり、ノズルが損傷しない限度において過度の冷却を避け、またノズル数およびその外径を適切な値に設定することが望ましいことになる。

0009

そこで、本発明者は原料油噴射ノズル7の水冷構造について検討を行い、簡略なノズル構造で的確に冷却することにより、カーボンブラック生成収率の低下を抑制するとともに品質の安定化を図ることができることを見出した。

0010

すなわち、本発明はこの知見に基づいて完成したもので、その目的は原料油噴射ノズルを損傷することなく安定に操業でき、かつカーボンブラック生成収率の低下を招くことなく、品質変動が小さく品質安定性に優れたカーボンブラック製造用の原料油噴射ノズルを提供することにある。

課題を解決するための手段

0011

上記目的を達成するための本発明に係るカーボンブラック製造用原料油噴射ノズルは、炉頭部の燃焼域と、引き続く原料導入域、反応域、反応停止域とからなり、燃焼域で燃料を燃焼して高温燃焼ガス流を生成させ、原料導入域で高温燃焼ガス流に直角方向から原料油を噴射導入し、引き続く反応域で原料油を熱分解してカーボンブラックに転化させ、次いで反応停止域で反応生成ガス流を急冷して反応を終結させるカーボンブラック生成プロセスにおいて、原料油噴射ノズルの最外層環状部を流れる冷却水が往路と復路に2分割され、ノズル先端部で往路から復路へと変換する冷却水流路を構成し、かつ、原料油噴射ノズルの外径d(mm)を、装着するノズル数N(本、但し、N≧2)との積Ndと原料油導入域の炉内径D(mm)との比Nd/Dの値が1.3未満の関係に設定されたことを構成上の特徴とする。

発明を実施するための最良の形態

0012

図3に例示したカーボンブラック製造用の反応炉において、原料導入域2に原料油を導入する原料油噴射ノズル7の構造の一例を図1図2に例示した。すなわち、図1は原料油噴射ノズル7の正面図、図2はノズル先端部の側断面図であり、図1図2のBB断面図、図2図1のAA断面図である。

0013

図1において、9は原料油の導管でその先端孔から原料油が噴射され、高温燃焼ガス流中に直角方向から霧化導入される。ノズルの最外層の環状部は冷却水の流路10であり、冷却水流路10は仕切板11によって噴射ノズルの長さ方向に2分割され、冷却水の往路12と復路13に分割されている。14は原料油導管9の外壁と冷却水流路10の内壁により形成される空間であり、空気などの気体による断熱層として機能する。

0014

図2は、図1に例示した原料油噴射ノズル7のノズル先端部のAA断面図であり、図1と同じ部位は同じ符号で示してある。図1図2において、冷却水流路10はノズル先端部のチップ部位において冷却水変換流路15により冷却水が往路12から復路13へと変換される。なお、図2は冷却水が往路から復路へと変換されて流れている状態を示している。

0015

このように冷却水の流路を、ノズルの長さ方向に往路と復路に2分割した水冷構造とすることによりノズル構造を簡素化することができ、ノズルの外径d(mm)を小さくすることができる。そして、ノズル外径dを小さくすることにより、高温燃焼ガス流中に原料油を噴射導入した時に生じる局所的温度低下、および、原料油噴射ノズルの周辺部を中心に生じる温度分布を、より小さくすることが可能となる。

0016

しかしながら、単にノズル外径を小さくしたのみでは充分でなく、外径の小さな原料油噴射ノズルが多数装着された場合には、原料油導入時に生じる局所的温度降下や温度分布の拡がりも増大することになる。すなわち、ノズル外径とその数が局所的温度降下および温度分布に大きく影響することになる。

0017

したがって、原料油噴射ノズルの外径d(mm)と装着するノズルの数N(本)との積Ndの値を、原料油導入域の空間との関係において設定することが重要であり、それにより原料油導入域の局所的温度降下および温度分布の影響をより少なくすることができる。

0018

すなわち、本発明は、原料油噴射ノズルの外径d(mm)と装着するノズルの数N(本、但し、N≧2)との積Ndの値を、原料油導入域の炉内径D(mm)との関係において、その比Nd/Dを定義し、その値(Nd/D)を1.3未満の関係に設定することにより、原料油噴射導入時における局所的温度降下および温度分布の拡がりに基づく、カーボンブラックの生成収率の低下および品質変動の増大の抑制を図るものである。好ましくは、Nd/D<1.0に設定される。なお、装着する原料油噴射ノズルの本数が1本の場合には、原料導入域、更に反応域における原料油密度偏りが大きくなって、品質変動が増大するため、原料油密度に著しい偏りが生じないように、装着するノズルの数は2本以上、望ましくは3〜5本程度を対象位置に装着する。

0019

更に、本発明の原料油噴射ノズルは、原料油導管9の外壁と冷却水流路10の内壁により形成される空間14が断熱層として機能し、例えば空気などの気体を断熱層に循環させることにより、原料油の無用な冷却や過度の冷却が抑制されるので、原料油の熱損失によるカーボンブラックの生成収率の低下も抑制することができる。空間14を断熱層として充分に機能させるためには1mm以上の厚さがあることが好ましい。

0020

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1〜5、比較例1〜4
内径500mm、長さ1500mmの燃焼域1、周辺から半径方向(燃焼ガス流に直角方向)にN本の原料油噴射ノズル7を対象位置に装着した、内径Dmm、長さ500mmの原料導入域2、原料油を熱分解してカーボンブラックに転化し、次いで急冷して反応を終結させる内径600mm、長さ3000mmの反応域3および反応停止域4を同軸上に連設した、図3に示した反応炉によりカーボンブラックを製造した。なお、原料油噴射ノズル7は原料導入域2の上流端から100mmの位置に装着した。

0022

上記の反応炉を用いて、外径dmmの異なる原料油噴射ノズル7を装着し、また断熱層の厚さLmmを変えてカーボンブラックを製造した。なお、原料油には比重(15/4 ℃) 1.103のクレオソート油を使用した。

0023

このようにして製造したカーボンブラックの生成収率を求め、また窒素吸着比表面積(N2SA)を測定して20個の測定値から標準偏差を求めて、品質の変動を比較した。得られた結果を表1(実施例)、表2(比較例)に示した。

0024

0025

0026

表1、2より、実施例では、比較例に比べて、いずれもカーボンブラックの生成収率が高位にあり、また窒素吸着比表面積(N2SA)の変動(標準偏差)も小さいことが認められる。なお、断熱層がない実施例5は原料油の熱損失により、若干生成収率が低下傾向にあるが、品質の変動には大きな影響は認められない。これに対し、本発明の要件外れる比較例1〜3は、生成収率が低位にあり、窒素吸着比表面積(N2SA)の変動(標準偏差)も大きいことが判る。また、原料油噴射ノズルを1本装着した比較例4ではカーボンブラック生成収率は、実施例と同等のレベルにあるが、品質変動が大きいことが認められる。

発明の効果

0027

以上のとおり、本発明のカーボンブラック製造用原料油噴射ノズルによれば、冷却水の流路を、ノズルの長さ方向に往路と復路に2分割した水冷構造とすることによりノズル構造を簡素化し、ノズル外径d(mm)を小さくすることができる。そして、原料油噴射ノズルの外径d(mm)と装着するノズルの数N(本、但し、N≧2)との積Ndの値を、原料油導入域の炉内径D(mm)との関係において、Nd/Dの値を1.3未満の関係に設定することにより、高温燃焼ガス流中に原料油を噴射導入した時に生じる局所的温度降下、および、原料油噴射ノズルの周辺部を中心に生じる温度分布の拡がりを抑制することにより、カーボンブラックの生成収率の低下および品質変動の増大を抑制することが可能となる。

図面の簡単な説明

0028

図1本発明の原料油噴射ノズルの正面図である。
図2本発明の原料油噴射ノズル先端部の側断面図である。
図3本発明の原料油噴射ノズルが適用される反応炉を例示した略断面図である。

--

0029

1燃焼域
2原料導入域
3反応域
4反応停止域
5酸化剤導入ダクト
6燃焼用バーナ
7原料油噴射ノズル
8急冷用水導入ノズル
9原料油導管
10冷却水の流路
11仕切板
12冷却水往路
13冷却水復路
14 空間
15 冷却水変換流路

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