JP2000501750A - カーボンブラックの製造に適した熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 カーボンブラックの製造に用いられる管式熱交換器が、筒状の形をした外側の胴体壁（14′）と２つの端部壁（17，18）とによって包囲されている筒状の室（16）と、一方の端部壁から他方の端部壁まで全体に筒状の形をした室（16）を通って延在している多数の管（13′）とを具備している。管（13′）の外側を流れるガスのための入口（１′）と出口（25）とが熱交換器に設けられる。さらに熱交換器は、筒状であって、外側の胴体壁（14′）の内側にこれと同心的に置かれている更なる胴体壁（23）を具備しており、これにより両端部で開口している筒状の形をした隙間空間（29）が、２つの胴体壁の間に形成される。入口（１′）を通って入るガスは、管（13′）と接触する前に、この隙間空間（29）を通る。このことの利点は、外側の胴体壁が冷却され、管内に析出するカーボン量を減らすことである。

Description

【発明の詳細な説明】 カーボンブラックの製造に適した熱交換器 本発明は、例えばカーボンブラックの製造等に用いられる熱交換器に関する。 さらに、本発明は、カーボンブラックの製造方法及びこの方法を実施するための 前記熱交換器を含む生産設備に関する。 カーボンブラックは、天然ガス又は鉱物油の不完全燃焼又は熱降下によって生 成されるカーボン粉末に用いられる用語である。製造方法によって異なる型のカ ーボンブラック、即ちいわゆるチャンネルブラックとか、ファーネスブラックと か熱分解ブラック（パイラリシスブラック）（サーマルブラックとも言われてい る）とかが生じる。 チャンネルブラックは、低いpH値と、高容量の揮発性成分と少ない分子間の鎖 状構造とを特徴としている。それは、工業界で製造される全ての材料のうちで最 も小さな粒子の大きさを有しており、その粒子はコロイド状の大きさの範囲内で ある。大部分の利用は、ゴムの補強材としてであり、それによってゴムの耐摩耗 性及び耐油性が改善される。 サーマルブラックは、比較的にきめの粗い粒子よりなり、主に顔料として用い られる。天然ガスより製造されるファーネスブラックは、その中間の大きさを有 している一方で、オイルから製造されるファーネスブラックは、広範囲の管理さ れた粒子の大きさを有しており、特に合成ゴムの補強に適している。ファーネス ブラックは最高に重要なカーボンブラックの形態であり、他の２つよりもかなり 広い範囲で用いられている。本発明は特にこの型のカーボンブラックに関するも のでもあり、この出願では単に“カーボンブラック” として記載されている。 カーボンブラックは、粉末とか、ペレットとか練り物の形で商品化されている 。粉末は多重層の紙袋又は裏打ちされた容器（バリル）で保存される。カーボン ブラックは、ゴムタイヤ及び他の耐摩耗性のゴム製品の添加物として用いられる 。プラスチックにおいては、カーボンブラックは、補強剤として、また不透明剤 として、また電導性の増加及び紫外光線の吸収の手段として用いられる。さらに カーボンブラックは、例えば複写カーボンや、タイプライターのインキリボンや 、色顔料や気象を左右するために用いられる。 図１と２に示されたカーボンブラック（例えばファーネスブラック型の）の製 造のための生産設備は、図２の支持台15を除いて慣用のものである。燃焼空気は 、導管１を通って管式熱交換器２の上方部分に導入され、そこで予熱され、次い でバーナー９と燃焼反応装置３でオイル燃焼する。予熱空気は導管５を経て燃焼 室に入る。オイルが導管４を経て前記反応装置に加えられる。空気量は、オイル の完全燃焼に必要とされる酸素ガスの絶対量の約50％に相当し、これによってカ ーボンブラックが生成される。最終製品の質に強い影響を与えるのに水を反応装 置３内に加えることも可能である。消費された燃焼空気内の浮遊カーボンブラッ クの混合物は、熱交換器の頂部から導管６を経て、通常の水冷式冷却器７を通っ て、従来と同じように織物袋のフィルターを装備したフィルター装置８に運ばれ る。このフィルター装置で、カーボンブラックはガス流から完全にろ過され、そ れからガス流は、煙突12から大気中に排出される前に、生産設備11内で更に浄化 するために逆止弁16を通る。 熱交換器２の構造は、図２に一層明瞭に示されている。熱交換器は、実質的に 垂直な管13で、多数の管をもつ多管式熱交換器である。燃焼による熱ガスがこれ らの管内を上昇し、それにより入口１よ り入り、胴部14内で管13の外部を降下して出口５より出る空気によって冷却され る。管13の入口での温度は約1000℃であり、管の外部に沿って流れる燃焼空気は 約800 ℃まで予熱される。これらの条件は、熱交換器の材料に最高に厳しい応力 を引き起こす。最も大きな機構上の応力は、胴部の下方部分であり、そこでは金 属の温度は約900 ℃となる。 胴部14内の測定された温度を図４に図表で示す。このことは、約１バールの内 圧と、約2000mmの胴部の直径と約13ｍの塔高さで、これらの温度で材料の強度が およそ５Ｎ／mm²の大きさであるので、非常に厚い金属の壁が用いられなければ ならないことを意味している。稼働休止時間毎に胴部内に不安定な状態が容易に 発生し、これにより座屈の危険が差し迫っている。座屈のための操業休止が何度 も起き、その結果かなりの出費がかかる。こうして、胴部の温度を下げて、それ により胴部内の強度が不安定な状態に対する問題を避けるに十分な強さがある状 態の下で作動をしたいという強い理由がある。 熱交換器内に起きる望ましくない処理過程の現象は、管13がカーボンによって 汚されることである。大気温度又はそれよりやや高い温度の導入空気が、管壁と 燃焼後のガスを冷却し、それらは管13の入口で平衡であり、そのため管の内側で 過冷却され、それによってボウドイアの反応２CO→Ｃ＋CO₂に従いカーボンが形 成される。ガス中のカーボン粒子と一緒に、このように生成されたカーボンが汚 れの一因となる。汚れの傾向を減じる一つの方法は、ガスの過冷却度を小さくす ること、即ちより暖かな管壁で作用させることである。このことは、導管１を流 れる空気を予熱することによって達成される。しかしながら、胴部の下方の部分 はそのときでさえもより熱くなり、この部分の応力がこうして更に強調される。 それ故に本発明の第１の目的は、特にカーボンブラックの製造において、管式 熱交換器の胴部の熱応力を減ずることである。 本発明の第２の目的は、熱交換管内のカーボンによる汚れを防止することであ る。 本発明の更なる目的は、カーボンブラックの製造中の熱交換器の有効寿命を延 ばすこと及び前記熱交換器中の流れの妨害物の数を減らすことである。 本発明の更に別の目的は、熱交換器の効率を改善することである。 これらの及び更に他の目的が、独立形式の請求項の特徴部分による二重の胴部 壁をもつ熱交換器の構造により達成される。 開示のために本発明は添付の図面を参照にして更に記載されるが、これに限定 されるものではない。図面はここでは、簡潔に表わされている。 図１は、既に前述したようにカーボンブラックの製造のための従来の生産設備 を概略的に示したものである。 図２は、既に前述したようにこの技術の状態（支持板15を除いて）における熱 交換器を示している。 図３は、本発明による熱交換器を示している。 図４は、それぞれ図２と図３による熱交換器における胴体温度を示している。 本発明による熱交換器は、従来公知の熱交換器のように図１の基本的な配置に おいて同じ場所に設けられる。熱交換器はその底部に燃焼空気（熱交換空気）の 流入のための入口１′を有している。この空気温度は、大気温度と約100 ℃との 間であればよい。熱交換器は室16を閉鎖している実質的に断面円形の胴体14′を 具備している。この胴体は典型的には、直径が約２ｍで高さが10〜15ｍ程のかな りな大きなものであり、50〜150本の管13′を包囲している。熱交換器の他の部 分と同じように、構成材料は耐熱性ステンレス鋼が適している。頂部と底部にお いて熱交換器は、例えばセラミック物質のような適当な断熱材のそれぞれ実質的 に円形の端部壁17と18によって境界を定められている。本発明の好ましい実施の 形態によれば、底部の端部壁18は、空気が適している冷却媒体のための入口19と 出口20とをもつ支持板又はマニホールド15を支えており、非常に高温の蒸発室10 （約1000℃）から出来るだけ熱交換器を断熱するために、その冷却媒体は支持マ ニホールドを通過することができる。 熱交換管13′は実質的に垂直に室16全体にわたって延在している。これらの管 は、例えば５〜10cmの直径を有している。底部において、それらはスリーブ21に 溶接される一方で、頂部においては、補整具又はスリーブ22にきつく締められ、 それぞれの管の周期的な収縮や熱膨張における若干の動きを許容できる。管13′ に底部で流入するガスは、900 〜1100℃の温度であるのに対し、管の出口では50 ０〜800 ℃、通常は650 ℃に冷却される。 本発明の本質的な特徴は、壁14′と23間に環状の空間を形成するために、熱交 換器が、外側の胴体壁14′の内側で、同心的に置かれた第２の又は内側の胴体壁 23を有することである。この内側の胴体壁は、支持板15上に置かれており、又は もし支持板がない場合は直接に端部壁18上に置かれている。更に壁23は、例えば ガス流に対し無孔で、不通の固体である。その頂部で、内側の壁23は端部壁17に 極く近接して終っており、これにより端部壁17の下面と内側の胴体壁の上縁との 間に、間隙24が形成される。内側の胴体壁を支持し、固定するために、２つの胴 体壁間に適当な棒部材が置かれる。これらの棒部材により２つの胴体壁間でその 全長にわたって実質的に均一な間隙を得ることもできる。 導管５と接続している予熱された燃焼ガスのための出口導管25が、内側の胴体 壁で、その底部近くに設置される。これらは600〜1000℃、通常は約800 ℃の温 度である。 環状空間27の全周囲から燃焼空気を導入するために、入口１′の高さで、遮蔽 体が設けられ、この遮蔽体は実質的に筒状である。外側の胴体14′は、入口１′ を通る導入ガスの空間を作るために、この遮蔽体の半径方向外側に拡大部分27を 有している。 入口１′から入った導入空気は、遮蔽体26の外周囲に分配され、それから３〜 10cm幅の空間29の環状の開口28を通って流れる。空気が空間29内を上方に流れる ので、空気は２つの胴体壁を冷却し、こうして内側の胴体壁により加熱される。 空気が間隙24に達すると、150〜400 ℃、例えば約250 ℃の温度になる。その頂 部で、外側の胴体壁は、空気が下方への降下流に向きを変えられるときに、圧力 降下損失を少なくするために、拡張部分30が形成されている。空気が管13′に達 すると、空気は既に或る程度予熱されており、それにより管内のガスは従来技術 と同じ程まで過冷却されることはない。その結果、管内の問題となっているカー ボンの汚れが避けられる。そのうえ、既述したようにそこでの空気が予熱され、 それによってかなり量が増加し、方向を変えた空気の流速が高くなるという事実 によって、管の外側の熱伝達が改善されるという驚くべき利点が得られる。最後 に、予熱された空気は、遮蔽体26と内側の壁23のそれぞれに設けられた整列され た穴を通って延びている出口管25を通って排出される。 図２の熱交換器に比べて、本発明による熱交換器はかなり熱効率を改善してい る。こうして同一の流量と温度でもって、導管６内の生成ガスの温度がかなり低 くなる。そのうえ、熱交換器の外側を遮蔽する必要性が、完全に減らされた。 さらに、負荷を受ける外側の胴体の熱応力が実質的に減らされる。図４には、 従来技術（図２）において、底部での胴体温度が900℃で、13ｍの高さの上方で は約100 ℃に低下することが示されている。これらの温度は、今では負荷を受け ない内側の胴体のおかげで実質的に下げられ、それにより約640 ℃の最高温度が 、図４に見られるように底部近くで得られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 特にカーボンブラックの製造に用いられる管式熱交換器であって、実質 的に筒状に形成された外側の胴体壁（14′）と２つの端部壁（17，18）とによっ て包囲された実質的に筒状の室（16）と、一端部の壁から他端部の壁まで実質的 に全体にわたって箇状に形成された室（16）を通って延びている多数の管（13′ ）とを具備していて、これらの管（13′）の外側を流れるガスの入口（１′）と 出口（25）とが設けられている熱交換器において、 この熱交換器が、実質的に筒状で、外側の胴体壁（14′）の内側で、実質的に 同心的に置かれている別の胴体壁（23）を具備しており、それにより両端部で開 口している実質的に箇状の形をした隙間空間（29）が、２つの胴体壁の間に形成 されて、入口（１′）を通って流入するガスが、管（13′）と接触する前に、こ の隙間空間（29）を通るようになっていることを特徴とする管式熱交換器。 ２．筒状の形をした隙間空間（29）内に導入ガスを分散するために、ガス入口 （１′）と同じ高さで遮蔽体（26）が設けられていることを特徴とする請求項１ に記載の熱交換器。 ３．冷却媒体を通す入口（19）と出口（20）とをもつ支持板が、室（16）と底 端部壁（18）との間に設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交 換器。 ４．底部において、管（13′）がスリーブ又はケーシング管（21）に固く締め られ又は溶接され、かつ頂部において、前記管（13′）が補整具か、スリーブ又 はケーシング管（22）内に差し込み、これにより管（13′）が管の収縮及び熱膨 張のそれぞれに対応出来るようになっていることを特徴とする請求項１〜３のい ずれか１項に記載の熱交換器。 ５．オイルバーナー（９）と、燃焼反応装置（３）と、前記燃焼反応装置から の生成ガス流によって燃焼反応装置への導入空気を予熱するための熱交換器とを 具備しているカーボンブラックの製造のための生産設備において、燃焼反応装置 が請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器に合致して組み立てられている ことを特徴とするカーボンブラックの製造のための生産設備。 ６．式熱交換器内で燃焼反応装置からの生成熱ガス流で熱交換されて予熱され た空気と一緒にオイルが、バーナー（９）及び燃焼反応装置（３）内で燃焼され 、そこから後に生成ガス流が熱交換器から導管を通って、形成されたカーボンブ ラックが処理される分離設備へと送られるところのカーボンブラックの製造方法 において、 熱交換器内に導入される空気が、熱交換器（13′）と接触する前に、熱交換器 の外側の胴体壁（14′）を最初に冷却することを特徴とするカーボンブラックの 製造方法。 ７．熱交換器内に流入する空気が、両端部で開口し、外側の胴体壁（14′）と これの内側に配置された内側の胴体壁（23）とによって形成される実質的に筒状 の形をした隙間空間（29）をまず最初に通るところの請求項６に記載のカーボン ブラックの製造方法。 ８．管式熱交換器が、 室を形成するために第１と第２の端部壁に接続された筒状の壁構造物と、 端部壁の一方から他方の端部壁へと前記室内を縦方向に延びている導入ガスの ための多数の管と、かつ 前記室へと及び前記室からそれぞれ熱交換空気を導入するために、前記室と連 通する空気入口と空気出口とであって、熱交換空気が前記室内で前記管と熱交換 の関係をもって流れている空気入口と空気出口と、 を具備していて、 前記筒状の壁構造物が中空で、前記入口から前記室へと縦方向に延びている空 気通路を形成しており、それにより熱交換空気か、前記管と接触する前に前記壁 構造物の一部と熱交換の関係をもって導入される管式熱交換器。 ９．前記入口が前記室の第１の端部壁の近くの前記空気通路と連通していて、 前記空気通路が第２の端部壁の近くの前記室と連通しているところの請求項８に 記載の管式熱交換器。 10．前記管が第１の端部壁から第２の端部壁にガスを導いているところの請求 項９に記載の管式熱交換器。 11．前記出口が第１の端部壁の近くに配置されているところの請求項10に記載 の管式熱交換器。 12．前記壁構造物が半径方向に間隔をあけられた内側と外側の壁部分を含み、 これらの間で前記空気通路を形成しているところの請求項８に記載の管式熱交換 器。 13．前記入口を通って導入される空気を分散するために、前記室に対して同軸 に延びていて、前記入口と前記空気通路との間に配置された筒状の遮蔽物を更に 含んでいる請求項12に記載の管式熱交換器。 14．前記入口が第１の端部壁の近くの前記空気通路に連通し、前記空気通路が 第２の端部壁の近くの前記室と連通していて、第１の端部壁の近くにある前記管 の端部を横切って冷却媒体を導くために、マニホールドが第１の端部壁の外側に 長手方向に設置されるところの請求項12に記載の管式熱交換器。 15．第２の端部壁の近くにある前記管の端部が、前記管の熱膨張と収縮を許容 するように、スリーブ内にゆるく配置されているところの請求項12に記載の管式 熱交換器。 16．カーボンブラックの製造装置が、 第１の空気入口とオイル入口とを有しているオイルバーナーと、 前記オイルバーナーと連通している燃焼反応装置と、かつ 熱交換器と、 を具備していて、 前記熱交換器が、 室を形成するために第１と第２の端部壁に接続された筒状の壁構造物であって 、多数の管が第１の端部壁から第２の端部壁へと前記室内を縦方向に延びて、燃 焼反応装置から受け入れた熱ガスを導くために、燃焼反応装置の出口と連通して いる壁構造物と、 前記室へ及び前記室からそれぞれ熱交換空気を導くために、前記室と連通して いる第２の空気入口と空気出口とであって、熱交換空気が前記室内で前記管と熱 交換の関係をもって流れ、前記出口がオイルバーナーの第１の空気入口と連通し ており、前記筒状の壁構造物が第２の空気入口から第２の端部壁の近くの前記室 の端部へと縦方向に延びている空気通路を形成していて、これにより熱交換空気 が、壁構造物の第１の端部から第２の端部に向けて、壁構造物の一部分と熱交換 の関係をもって熱伝達するために導かれるところの第２の空気入口と空気出口と 、 を具備しているカーボンブラックの製造装置。 17．前記構造物が半径方向に間隔があけられた内側と外側の壁部分を含み、こ れらの間に前記空気通路を形成しているところの請求項16に記載のカーボンブラ ックの製造装置。 18．カーボンブラックの製造方法が、以下の段階 Ａ．燃焼ガスを発生するために、空気とオイル又は天然ガスとの混合物を燃焼 する段階と、 Ｂ．熱交換器の室の第１の端部から第２の端部へと延在している 管内に燃焼ガスを導く段階と、 Ｃ．空気を予熱するために、熱交換空気が前記管と熱交換の関係をもって前記 室を通過する段階と、 Ｄ．段階Ａのオイル又は天然ガスと混合するために、段階Ｃからの熱交換空気 を導く段階と、かつ Ｅ．段階Ｃに先だって、熱交換器の壁構造物によって形成された通路内に熱交 換空気を導き、熱交換器の第１の端部から第２の端部に向けて熱伝達するために 、熱交換器の第１の端部の近くの場所で熱交換空気が前記通路に導入される段階 と、 を備えているカーボンブラックの製造方法。 19．熱交換器が筒状であって、２つの壁部分がそれらの間に筒状の空間を形成 しており、段階Ｅが、空気が前記室に入る前に縦方向の前記通路内に導かれ、熱 ガスが前記管内を流れる方向と反対の方向に前記室を通る空気を導くことを備え ているところの請求項18に記載のカーボンブラックの製造方法。