8/13/2019 US3039853(Channel Patent)

1/2

United S t a t e s Patent1

3 , 0 3 9 , 8 5 3CHANNEL-TYPE CARBON BLACK PROCESSJ o e Y . R o g e r s , J r . , and J o h n M. B r o w n , Pampa, T e x . , a ss i g n o r s t o C a b o t C o r p o r a t i o n , B o s t o n , M a s s . , a t c o r p or a t i o n o f DelawareNo D r a w i n g . F i l e d M a r . 1 8 , 1 9 6 0 , S e r . N o . 1 5 , 8 4 87 C l a i m s . C l . 23-2093)

T h i s i n v e n t i o n r e l - a t e s t o t h e p r o d u c t i o n o f c a r b o n b l a c kby t h e impingement o f a h y d r o c a r b o n ?ame a g a i n s t a r e l at i v e l y c o o l s u r f a c e , f o r e x a m p l e t h e c h a n n e l p r o c e s s , a n di n p a r t i c u l a r t o a n i m p r o v e d p r o c e s s f o r p r o d u c i n g h i g hc o l o r c h a n n e l carbon b l a c k .

I n t h e p r o d u c t i o n o f h i g h c o l o r i . e . h a v i n g a n i g r o me t e r s c a l e r e a d i n g o f below a b o u t 8 2 c h a n n e l c a r b o nb l a c k , a d i l u e n t , s u c h a s a i r , n i t r o g e n o r c a r b o n d i o x i d e ,i s g e n e r a l l y added t o t h e n a t u r a l g a s f e e d s t o c k . A l s oi n r e c e n t y e a r s , i n o r d e r t o e n r i c h t h e g a s a n d i n c r e a s et h e p r o d u c t i o n r a t e o f c a r b o n b l a c k , a hydrocarbon s u c ha s a hydrocarbon o i l i s o f t e n v a p o r i z e d i n t o t h e n a t u r a lg a s f e e d s t r e a m , f o r e x a m p l e a s t a u g h t by US. P a t e n t2 , 7 1 9 , 0 7 8 , t o B i l l i n g s and Darwin. When e i t h e r a d i l ue n t or a hydrocarbon alone i s added t o t h e n a t u r a l g a s ,s e r i o u s problems do n o t a r i s e . When, h o w e v e r , a d i l u e n ta n d a hydrocarbon a r e both added t o t h e n a t u r a l g a s feeds t r e a m , ? a m e f o r k i n g a n d , u l t i m a t e l y , b l o c k i n g o f t h eburner t i p s o c c u r s . F la m e f o r k i n g may be d e s c r i b e d a st h e c h a n g e i n t h e p a t t e r n o f t h e ?ame e m a n a t i n g from t h ebtuner t i p w h i c h occurs when a c o k e - l i k e material d e p o s i t sa t t h e b u r n e r t i p and forms a n o b s t r u c t i o n t h e r e i n whichd e ? e c t s t h e g a s e s e m a n a t i n g from s a i d t i p and t h e r e b yc a u s e s t h e ? a m e t o s e p a r a t e i n t o two o r more f o r k s . Much e s e a r c h has been conducted t o determine t h e causeo f ?ame f o r k i n g . V a r i o u s f a c t o r s i n c l u d i n g t h e p o s s i b l eo x i d a t i o n and p o l y m e r i z a t i o n o f t h e hydrocarbon a s d es c r i b e d i n copending a p p l i c a t i o n S e r i a l No. 6 8 9 , 3 3 0 , t oRogers e t a l . , n o w P a t e n t No. 2 , 9 8 1 , 6 0 4 , and t h e temp e r a t u r e o f t h e s y s t e m , were i n v e s t i g a t e d , but no comp l e t e l y p r a c t i c a l a n d i n e x p e n s i v e s o l u t i o n t o t h e p r o blem o f ?ame f o r k i n g had h e r e t o f o r e been d i s c o v e r e d .T he p r e s e n t i n v e n t i o n , however, o f f e r s a more comp l e t e and l e s s e x p e n s i v e s o l u t i o n t o s a i d ?ame f o r k i n g p r o b l e m .

A c c o r d i n g l y , i t i s a p r i n c i p a l o b j e c t o f t h e p r e s e n t i nv e n t i o n t o p r o v i d e a n improved p r o c e s s f o r p r o d u c i n g hi g hc o l o r i m p i n g e m e n t t y p e c a r b o n b l a c k f r o m a r t i ? c i a l l yenriched g a s e s such a s n a t u r a l g a s .

Another o b j e c t o f t h i s i n v e n t i o n i s t o p r o v i d e a p r o c e s sf o r p r e v e n t i n g ?ame f o r k i n g i n t h e p r o d u c t i o n o f h i g hc o l o r c h a n n e l carbon b l a c k s w h e n t h e f e e d s t o c k comp r i s e s n a t u r a l g a s , an e n r i c h i n g h y d r o c a r b o n and a d i l ue n t s u c h a s a i r , m o l e c u l a r o x y g e n , c a r b o n d i o x i d e , n i t r o ~g e n , water vapor, e t c .

Another o b j e c t o f t h i s i n v e n t i o n i s t o p r o v i d e a p r o c e s sf o r p r e v e n t i n g ?ame f o r k i n g i n t h e p r o d u c t i o n o f h i g hc o l o r c h a n n e l c a r b o n b l a c k s w h e n t h e f e e d s t o c k c o mp r i s e s n a t u r a l g a s , a h y d r o c a r b o n o i l and a i r .

O t h e r o b j e c t s w i l l i n p a r t b e o b v i o u s and w i l l i n p a r tappear h e r e i n a f t e r .

I n a c c o r d a n c e w i t h t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , i t w a s d i sc o v e r e d t h a t i n p r o d u c i n g h i g h c o l o r c h a n n e l c a r b o n b l a c kfrom a f e e d s t o c k c o m p r i s i n g d i l u t e d n a t u r a l g a s e n r i c h e dw i t h a n o r m a l l y l i q u i d h y d r o c a r b o n , ?ame f o r k i n g i sp r e v e n t e d b y c l e a n s i n g t h e d i l u e n t o f s o l i d m a t e r i a l s p r i o rt o i t s i n t r o d u c t i o n i t n o t h e f e e d s t o c k . The problemi s c o m p l e x and t i s n o t c om p l e t e l y u n d e r s t o o d w h y c l e a n si n g o f t h e d i l u e n t p r e v e n t s ?ame f o r k i n g , b u t i t i s b el i e v e d , and t h e r e i s no i n t e n t i o n t o be bound by t h i s e xp l a n a t i o n , t h a t t he d u s t , s m o k e , a n d o t h e r s o l i d , p a r t i c ul a t e c o n t a m i n a n t s normally p r e s e n t i n a d i l u e n t , s u c h a sa i r , t e n d t o b e a g g l o m e r a t e d a t t h e b u r n e r t i p by some o f

10

15

v 2 0

25

30

35

40

45

50

55

60

6 5

7 0

3 039 853Patented June 1 9 , 1962C

2t h e h i g h e r b o i l i n g p o r t i o n s o f t h e h y d r o c a r b o n , a n d / o rby p o l y m e r i z a t i o n o f c e r t a i n f r a c t i o n s o f t h e h y d r o c a rb o n . Agglomerates t h e n b u i l d u p t o form c o k e - l i k e d ep o s i t s w h i c h r e s t r i c t t h e o p e n i n g i n t h e b u r n e r t i p t h e r e b yc a u s i n g ? a m e f o r k i n g a n d u l t i m a t e l y b l o c k i n g o f t h eb u r n e r t i p s .The d e g r e e o f i m p r o v e m e n t a c h i e v e d b y t h e p r e s e n ti n v e n t i o n i s , o f c o u r s e , f o r a g i v e n f e e d s t o c k , l a r g e l y d ep e n d e n t upon t h e c o m p l e t e n e s s o f r e m o v a l o f t h e s o l i dm a t e r i a l s . Flame f o r k i n g c a n be a l m o s t e n t i r e l y e l i m in a t e d b y ? l t e r i n g t h e d i l u e n t t o t h e p o i n t w h e r e s u b s t a nt i a l l y no s o l i d p a r t i c u l a t e m a t e r i a l r e m a i n s t h e r e i n . I f? l t r a t i o n o f t h e d i l u e n t i s c a r r i e d o u t t o a l e s s e r e x t e n t ,?a m e f o r k i n g w i l l o c c u r o v e r a p e r i o d o f t i m e , t h el e n g t h o f s a i d p e r i o d b e i n g d e t e r m i n e d by t h e e x t e n t o f? l t r a t i o n .A n y t y p e o f ? l t e r o r ? l t e r i n g s y s t e m which w i l l r e d u c eo r c o m p l e t e l y e l i m i n a t e t h e s o l i d c o n t e n t o f t h e d i l u e n t i ss u i t a b l e f o r t h e p u r p o s e s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n . Fore x a m p l e , bag ? l t e r s s u c h a s o f F i b e r g l a s o r O r l o n , o i l b a t ha i r ? l t e r s , C o t t r e l l p r e c i p i t a t o r s o r wet s c r u b be r s a r e a l lu s e f u l f o r t h e p u r p o s e s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .Any n o r m a l l y l i q u i d h y d r o c a r b o n i s g e n e r a l l y s u i t a b l ef o r e n r i c h m e n t o f t h e n a t u r a l g a s . However, h y d r o c a rbon o i l s o r b l e n d s o f hydrocarbon o i l s h a v i n g a d i s t i l l at i o n end p o i n t o f l e s s t h a n a b o u t 9 0 0 F . a r e g e n e r a l l yp r e f e r r e d .

A l s o , t h e d i l u e n t - n a t u r a l g a s hydrocarbon r a t i o s a r e n o tc r i t i c a l f o r t h e p u r p o s e s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n . S u i ta b l e r a t i o s f o r p r o d u c i n g t h e v a r i o u s g r a d e s o f c a r b o nb l a c k a r e w e l l known i n t h e channel carbon b l a c k i n d u st r y and moreover do n o t b a s i c a l l y a l t e r t h e r e s u l t s anda d v a n t a g e s o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .There f o l l o w a n u m b e r of n o n - l i m i t i n g i l l u s t r a t i v e exa m p l e s : Example 1

To a t y p i c a l c h a n n e l c a r b o n b l a c k b u i l d i n g c o m p r i s i n ga 140-200 f t . l o n g h o t house e q u i p p e d w i t h a b o u t 3000b u r n e r t i p s a r r a n g e d i n l o n g i t u d i n a l r o w s , and a c h a n n e lm e m b e r suspended o v e r each row o f burner t i p s , t h e r ew a s f e d 230 M . f . d . (thousand c u b i c f e e t c o r r e c t e d t o6 0 F . a n d 30 mercury p r e s s u r e , p e r day) n a t u r a l g a s ,1 1 0 M . f . d . o f u n ? l t e r e d a i r and a b o u t 6 g a l l o n s p e rhour o f a d i s t i l l a t e o i l h a v i n g a d i s t i l l a t i o n end p o i n t o fa b o u t 6 5 4 F . a n d w h i c h c o n t a i n e d by w e i g h t 53.3a r o m a t i c s , 8.9 o l e ? n s a n d 37.8 s a t u r a t e s , a n d w h i c hh a d a n A . P . I . g r a v i t y o f 2 8 . 1 and a US. Bureau o f Minesc o r r e l a t i o n i n d e x o f 5 4 . 4 . Normal o p e r a t i o n w a s m aint a i n e d f o r a b o u t 1 2 h o u r s , a f t e r which t i m e ?ame f o r ki n g w a s ? r s t o b s e r v e d i n some o f t h e b u r n e r t i p s . 1 6h o u r s a f t e r t h e i n i t i a t i o n o f t h e r u n , ?ame f o r k i n g wasg e n e r a l l y p r e v a l e n t t h r o u g h o u t t h e h o t h o u s e .

E x a m p l e 2T h i s e x a m p l e was a d u p l i c a t e o f Example 1 , e x c e p t t h a t

t h e 110 M . f . d . a i r w a s ? l t e r e d by m e a n s o f a b ag ? l t e rc o n s i s t i n g o f t h r e e p o r o u s ? l t e r b a g s , e a c h a b o u t 5 i n c h e si n d i a m e t e r a n d a b o u t 5 f e e t l o n g , p r i o r t o b e i n g u t i l i z e d .A f t e r 3 1 / 2 w e e k s o f o p e r a t i o n , no ?ame f o r k i n g h adbeen o b s e r v e d . Example 3

T h i s e x a m p l e was a d u p l i c a t e o f Example 1 , e x c e p tt h a t i n s t e a d o f t h e d i s t i l l a t e o i l d e s c r i b e d i n Example 1 ,7 . 5 g a l l o n s p e r hour o f k e r o s e n e were u t i l i z e d . Normalo p e r a t i o n was m a i n t a i n e d f o r a b o u t 2 1 / 2 m o n t h s , a f t e rw h i c h t i m e ?ame f o r k i n g was [ b e c o m i n g g e n e r a l .

E x a m p l e 4T h i s e x a m p l e was a d u p l i c a t e o f Example 3 , e x c e p t

t h a t t h e 110 M . f . d . a i r w a s ? l t e r e d b y m e a n s o f a bag? l t e r c o n s i s t i n g o f 3 p o r o u s ? l t e r b a g s e a c h a b o u t 5 i n c h e s

8/13/2019 US3039853(Channel Patent)

2/2

~ > 3 039 853O

i n d i a m e t e r and a b o u t 5 f e e t l o n g p r i o r t o b e i n g u t i l i z e d .A f t e r 6 months o f o p e r a t i o n , no ?ame f o r k i n g had beeno b s e r v e d .O b v i o u s l y m a n y c h a n g e s can be m a d e i n t h e aboved e s c r i p t i o n a n d e x a m p l e s w i t h o u t d e p a r t i n g from t h es c o p e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n . For e x a m p l e , i n a d d i t i o nt o ? l t e r i n g t h e a i r a s d i s c u s s e d a b o v e , i t i s sometimesh e l p f u l t o ? l t e r t h e n a t u r a l g a s a l s o . G e n e r a l l y , h owe v e r , n a t u r a l g a s c o n t a i n s few s o l i d i m p u r i t i e s and a c c o r di n g l y ? l t r a t i o n o f t h e n a t u r a l g a s i s u s u a l l y u n n e c e s s a r y . 1 0

A l s o , o f c o u r s e , i n s t e a d o f ? l t e r i n g t h e d i l u e n t p r i o r t oa d d i n g i t t o t h e n a t u r a l g a s , t h e d i l u e n t and n a t u r a l g a s c o u l d b e ? r s t admixed and t h e e n t i r e m i x t u r e s u b s e q u e n t l y? l t e r e d . H o w e v e r , t h i s p r o c e d u r e would n o r m a l l y r eq u i r e ? l t e r i n g e q u i p m e n t o f h i g h e r c a p a c i t y a n d w o u l d 1 5t h e r e f o r e b e u n n e c e s s a r i l y c o s t l y .I t i s t h e r e f o r e , i n t e n d e d t h a t t h e a b o v e d e s c r i p t i o n andexamples = b e r v i e w e d a s i l l u s t r a t i v e and a s i n no w a y limi t i n g t h e s c o p e o f t h e p r e s e n t i n v e n t i o n .What we laim i s : 201 . I n t h e p r o c e s s o f p r o d u c i n g h i g h c o l o r c a r b o n b l a c k

by t h e c h a n n e l p r o c e s s w h e r e i n a m i x t u r e c o m p r i s i n g n a tu r a l g a s , a d i l u e n t a n d a normally l i q u i d h y d r o c a r b o n i sb u r n e d u n d e r c o n d i t i o n s o f i n c o m p l e t e c o m b u s t i o n , t h eimprovement w h i c h c o m p r i s e s r i d d i n g s a i d d i l u e n t o f s o l i d 2 5m a t e r i a l s p r i o r t o t h e a d d i t i o n t he r e o f t o t h e o t h e r c o mp o n e n t s .

2 . The p r o c e s s o f claim 1 wherein s a i d hydrocarbon

4c o m p r i s e s a hydrocarbon o i l h a v i n g a d i s t i l l a t i o n endp o i n t o f l e s s t h a n a b o u t 9 0 0 F .3 . The p r o c e s s o f c l a i m 1 w h e r e i n s a i d h y d r o c a r b o nc o m p r i s e s a b l e n d o f h y d r o c a r b o n o i l s .4 . The p r o c e s s o f claim 1 wherein s a i d d i l u e n t c o mp r i s e s a i r .

5 . The p r o c e s s o f c l a i m 1 wherein s a i d d i l u e n t i s ? lt e r e d t o t h e p o i n t w h e r e i n o n l y t r a c e amounts o f s o l i dm a t t e r remain t h e r e i n .6 . I n t h e p r o c e s s o f p r o d u c i n g h i g h c o l o r c a r b o n b l a c kby t h e c h a n n e l p r o c e s s w h e r e i n 1 a m i x t u r e c o m p r i s i n g n a tu r a l g a s , a i r and a hydrocarbon o i l i s burned under c ond i t i o n s o f i n c o m p l e t e c o m b us t i o n , t h e i m p r o v e m e n t w h i c hc o m p r i s e s ? l t e r i n g s a i d a i r by means o f a [ b a g ? l t e r p r i o rt o t h e m i x i n g o f s a i d a i r w i t h t h e o t h e r c o m p o n e n t s .7 . I n a p r o c e s s f o r p r o d u c i n g h i g h c o l o r carbon b l a c kby t h e c h a n n e l p r o c e s s wherein a m i x t u r e c o m p r i s i n g n a tu r a l g a s , a d i l u e n t and a normally l i q u i d hydrocarbon i sb u r n e d u n d e r c o n d i t i o n s o f i n c o m p l e t e c o m b u s t i o n , t h ei m p r o v e m e n t w h i c h c o m p r i s e s r i d d i n g s a i d d i l u e n t a n ds a i d n a t u r a l g a s o f s o l i d m a t e r i a l s p r i o r t o t h e m i x i n gt h e r e o f w i t h s a i d l i q u i d h y d r o c a r b o n .

R e f e r e n c e s C i t e d i n t h e ? l e o f t h i s p a t e n tUNITED STATES PATENTS

2,225,354 S c h m a l e n b a c h ________ __ De c. 1 7 , 19402,307,050 Kloepfer ________________ Jan. 5 , 19432,719,078 B i l l i n g s e t a 1 __________ __ S e p t . 2 7 , 1955