Реактор для получения технического углерода реферат

Обновлено: 02.07.2024

Полезная модель относится к производству технического углерода и может быть использована в производстве технического углерода с высокой активностью, когда необходимо создание высоких температур в зоне горения реактора. В реакторе для получения технического углерода, включающем камеру горения, футерованную циркониевыми огнеупорами и смесительное сопло, смесительное сопло зафутеровано циркониевыми огнеупорами до ввода сырья и на расстоянии 150-250 мм от плоскости ввода сырья в смесительное сопло после циркониевых огнеупоров идет окат изделий диаметром 270 мм, изготовленных из корундохромистой массы МКХНФ-85. Сочетание циркониевых и корундохромистых огнеупоров в смесительном сопле позволит поднять температуру горения в реакторе и повысить выход технического углерода.

Полезная модель относится к процессу производства технического углерода (техуглерода) и может быть использована в реакторах для получения технического углерода с высокой активностью, когда необходимо создание высоких температур в зоне горения реактора.

Известен реактор для получения техуглерода с использованием циркониевых огнеупоров для футеровки камеры горения, с целью повышения температуры в камере горения выше 2000°C и увеличения выхода техуглерода из сырья (Ивановский В.И. Технический углерод. Процессы и аппараты. Омск, 2004, с.68).

Недостатком известного реактора является установка корундовых огнеупоров сразу же за сечением ввода сырья, допустимая температура применения, которых на 300-400°C ниже, чем температура применения циркониевых огнеупоров, что не позволяет поднять температуру в зоне горения выше 2000°C.

Известен реактор для получения техуглерода, в котором камера горения футерована циркониевыми огнеупорами, при этом сразу за сечением ввода форсунок применяют корундовые или корундохромистые огнеупоры (Carbon Black World 2004 New Economical Refractory for Carbon Black reactors - update).

Недостатком известного реактора является установка корундовых или корундохромистых огнеупоров сразу же за сечением ввода сырья, допустимая температура применения, которых на 300-400°C ниже, чем температура применения циркониевых огнеупоров в зоне горения, что ведет к разрушению сопла реактора. Поэтому, температуру в зоне горения реактора не удается увеличить выше 1950-1980°C без разрушения огнеупоров смесительного сопла сразу же за сечением ввода сырья.

Известна футеровка выполненная окатом из изделий марки ПУСК (патент RU 2291902 Футеровка сталеплавильного конвертера), футеровка оката из муллитокремнеземистого кирпича (СТО ПОСТРОЙ 2.31.5-2011 Строительство, реконструкция, ремонт).

Недостатком этих футеровок является то, что они не выдерживают высоких температур необходимых при производстве технического углерода.

Задачей полезной модели является повышение температуры в зоне горения реактора, до 1980-2150°С за счет футеровки смесительного сопла циркониевыми огнеупорами и окатом изделия.

Поставленная задача решается тем, что в реакторе, содержащем камеру горения, футерованную циркониевыми огнеупорами, и смесительное сопло, смесительное сопло зафутеровано циркониевыми огнеупорами до ввода сырья и на расстоянии 150-250 мм от плоскости ввода сырья в смесительное сопло, за циркониевыми огнеупорами установлен окат изделий диаметром 270 мм из корундохромистой массы.

Предлагаемый реактор показан на фиг., где:

1 - горелка реактора, 2 - камера смешения топлива с воздухом, 3 - камера горения, 4 - смесительное сопло, 5 - плоскость ввода сырья в смесительное сопло, 6 - шамот легковесный, 7 - корунд (Al ₂O₃), 8 - цирконий, 9 - окат изделия из корундохромистая массы.

Реактор для получения технического углерода эксплуатируют следующим образом.

В камере горения 3 топлива с воздухом получают продукты сгорания топлива с температурой 1980-2150°C.

С целью получения продуктов горения топлива с максимально возможно высокой температурой 1980-2150°C камеру горения 3, смесительное сопло 4 футеруют циркониевыми огнеупорами.

Установлено, что на расстоянии 150-250 мм от плоскости ввода сырья в смесительное сопло разрушения циркониевых огнеупоров не происходит, поэтому в предлагаемом реакторе установлен блок 8 из циркониевых огнеупоров, который выдерживает такую же температуру как в зоне горения, что позволило увеличить температуру в зоне горения реактора, футерованной циркониевыми огнеупорами на 100-200°С. Но после ввода сырья на расстоянии 150-250 мм от плоскости его ввода с изменением среды циркониевые огнеупоры начинают разрушаться. Установка после циркониевых огнеупоров оката изделий диаметром 270 мм из корундохромистой массы с содержанием Cr₂O₃ - 15% (ГОСТ 28874-2004 Огнеупоры Классификация), позволит обеспечить температуру горения в камере сгорания 1980-2150°C что позволит увеличить выход технического углерода на 2-3%.

Реактор для получения технического углерода, включающий камеру смешения топлива с воздухом, камеру горения, футерованную циркониевыми огнеупорами и смесительное сопло, отличающийся тем, что смесительное сопло зафутеровано циркониевыми огнеупорами до ввода сырья и на расстоянии 150-250 мм от плоскости ввода сырья в смесительное сопло, за которыми установлен окат изделия из корундохромистой массы.

Изобретение относится к процессу производства технического углерода из жидкого сырья, который используется как наполнитель полимерных материалов.

Процесс сажеобразования включает в себя несколько стадий: диспергирование жидкого углеводородного сырья в потоке газов горения, испарение образовавшихся капель, химическое разложение паров сырья, образование частиц сажи из продуктов пиролиза. Вторая стадия, как наиболее медленная, лимитирует скорость всего процесса в целом и поэтому может сильно влиять на качество получаемого продукта. Из-за большой скорости реакции разложения пиролиз паров идет параллельно и одновременно с испарением капель, и если оно происходит быстро, то после образования зародышей сажи последующий рост всех ее частиц происходит почти одновременно. В результате должен получиться продукт с однородным по размеру частиц составом.

В известных способах получения технического углерода описанных, например, в RU 2097398, RU 2083614, US 3477816, US 4360497 для получения технического углерода с высокой активностью повышают температуру газов горения до 2000 o С и/или увеличивают их скорость в зоне смешения за счет уменьшения диаметра этой зоны.

Первая из этих мер требует повышения жаростойкости огнеупорного материала реактора и значительно увеличивает стоимость производства сажи. Вторая вызывает необходимость увеличить избыточное давление при подаче воздуха в реактор до 1,5 атм. При этом велики затраты на работу воздуходувки.

Кроме того, при дальнейшем увеличении нагрузки на реактор и создании большегрузных реакторов, имеющих большие габаритные размеры, получить технический углерод с высокими усиливающими свойствами, затруднено.

В патенте RU 2131766 (ОАО "Ярославский технический углерод") 20.06.1999 описаны реактор и способ получения технического углерода с размерами частиц 110-600 ангстрем при степени срастания частиц в агрегате в пределах 0,03-0,09. Он имеет многоканальную зону смешения фаз, в котором общее суммарное сечение каналов примерно равно сечению зоны смешения в обычном одноканальном реакторе. Распределение общего расхода сырья по нескольким каналам позволяет вводить его в каждый из них с помощью одной или двух струйных форсунок с соответственно меньшим диаметром выходного отверстия. Это способствует более тонкому первичному распылению сырья, более быстрому испарению капель, большей однородности частиц технического углерода по размерам, меньшим средним размерам этих частиц и их большей активности. Однако в готовой продукции велико количество включений и сажа, получаемая в таком реакторе недостаточно однородна.

Настоящее изобретение направлено на дальнейшее увеличение однородности частиц и обеспечение более высокого выхода высокоактивного технического углерода при уменьшении коксообразования.

В реакторе для получения технического углерода, содержащем последовательно установленные камеру горения со средствами сжигания топлива с воздухом, многоканальное смесительное сопло со средствами для ввода сырья, камеру со средствами для охлаждения сажегазовых продуктов, многоканальное сопло выполнено из корундового или циркониевого огнеупора с теплопроводностью около 1,2-4,8 Вт/(мК) и теплоемкостью около 0,7-1,08 кДж/(кгК), при этом длина канала смесительного сопла составляет не более 2-5 диаметров канала многоканального смесительного сопла, а вокруг многоканального смесительного сопла расположен теплоизоляционный слой. Кроме того, средства для ввода сырья выполнены с возможностью подвода сырья в каналы смесительного сопла под углом 90-135 o к направлению потока, под одинаковым давлением и с одинаковой температурой.

На фиг. 1 изображен реактор для производства технического углерода; на фиг. 2 - распределение среднего диаметра проекции агрегата; на фиг. 3 - распределение площади проекции агрегата; на фиг. 4 - распределение периметра проекции агрегата; на фиг. 5 - распределение площади проекции пор агрегата.

Лучшие варианты осуществления изобретения Рассмотрим процессы, происходящие при получении технического углерода. Струя жидкого сырья, направленная под углом к скорости газового потока, в зоне смешения в результате пульсаций распадается сначала на достаточно крупные капли с размерами 0,1-1 мм. При скорости газа 200-400 м/с происходит дальнейшее дробление некоторой части капель на более мелкие размером до нескольких мкм. Необходимая для испарения теплота подводится через внешнюю поверхность капли двумя путями: конвективным теплообменом капель с горячим газом и тепловым излучением стенок реактора. В обычных условиях конвективный теплообмен существенно преобладает над тепловым излучением. При более низкой температуре газов горения капли не успевают испариться до достижения ими граница зоны смешения и зоны реакции. Кроме непосредственного участия в теплопередаче от газа к каплям, влияние теплового излучения на процесс сажеобразования может проявляться и следующим образом.

Дело в том, что внутри достаточно крупных капель могут существовать зародыши парообразования - парогазовые пузырьки (или даже твердые частицы) с микронными размерами, в сотни раз меньшими среднего размера капель. При перегреве жидкости проникающим в нее тепловым излучением эти зародыши могут спонтанно расти, что приводит к внутреннему вскипанию капли, которое заканчивается ее "взрывом" и дроблением на более мелкие. Перегревание капель и рост паровых пузырьков в них идут одновременно. Однако тепловое излучение достигает капель вблизи оси реактора не сразу. На небольших расстояниях от форсунки, где счетная концентрация капель высокая, излучение стенок реактора существенно экранируется другими каплями, удаленными от оси. По мере разгона капель поток становится прозрачнее, и достигающее их тепловое излучение от стенок реактора возрастает, стремясь к максимальному значению. В канале большого диаметра 2R>0,3 м проникновение теплового излучения к каплям затруднено эффектом экранировки. Взрывное вторичное дробление капель, их полное испарение не успевает завершиться в зоне реакции, процесс испарения затянут по времени, что приводит к увеличению неоднородности размеров получаемого продукта, ухудшая его качество. Напротив, если диаметр канала зоны реакции меньше 0,3 м, например, вдвое, то качество получаемого в таком реакторе технического углерода, активность сажи, оказываются выше. Кроме того, в настоящем изобретении достигается пространственно-временное разделение стадий испарения сырья, пиролиза паров и сажеобразования, что позволяет в более широких пределах изменять режимные параметры процесса получения сажи и свойства продукта.

Процесс сажеобразования в заявленном реакторе предусматривает наличие следующих рабочих зон.

Зона горения. Предназначена для горения топлива (природного газа) с использованием воздуха среднего давления (t= 480-510 o С и выше, Р_изб= 0,06-0,065 МПа) с целью получения продуктов сгорания (Н₂О, N₂, СО₂, О₂) с температурой 1600-1700 o С. В ней происходит эффективное сжигание топлива (= 1,1-1,5) с развитием максимально допустимых рабочих температур продуктов сгорания с наличием остаточного (активного) кислорода, необходимого для восполнения теплового баланса процесса сажеобразования технического углерода активных марок.

Зона предварительной закалки. Прекращение реакции сажеобразования производят уменьшением рабочей температуры до 1100-1200 o С. Для этого в сажегазовую смесь подают предварительно подогретую до температуры 95-100 o С химически очищенную воду под давлением 2,0-2,5 МПа. Для обеспечения полноты разложения углеводородного сырья различного качества место ввода воды и условия ее диспергирования (количество и тип форсунок, температура и давление воды) выбираются опытным путем.

Зона закалки. Далее в зоне охлаждения сажегазовая смесь охлаждается до температуры 750-800 o С и подается в рекуперативный воздухоподогреватель для нагрева технологического воздуха, поступающего в реактор для горения топлива.

Реактор для получения технического углерода содержит корпус 1, в котором последовательно расположены камера горения 2, снабженная воздушной камерой для подачи воздуха 3 и камерой для ввода топливного газа 4, многоканальное смесительное сопло 5, состоящее из двух каналов 6. Каналы смесительного сопла расположены параллельно оси реактора. В каждом канале установлены сырьевые форсунки 7. За смесительным соплом расположены камера предварительного охлаждения 8 с водяными форсунками 9 для предварительной закалки и охлаждения сажегазовой смеси и камера охлаждения 10 с водяной форсункой 11. Реактор может быть снабжен рекуперативным воздухоподогревателем, который обеспечивает подогрев технологического воздуха до температуры 500 o С и более, поступающего в реактор для горения топлива. Количество каналов может быть иным, например 3-6. Сравнительно небольшой диаметр канала обеспечивает распределение температурного поля в нем как по радиусу сечения канала, так и на протяжении его длины до выхода в зону предварительной закалки реакционных газов. Многоканальное сопло выполняется из материала с высокой теплоемкостью и теплопроводностью, например, корундового или циркониевого огнеупора, что обеспечивает равномерный прогрев смесительного сопла в поперечном сечении и одинаковые температурные условия для работы всех реакционных каналов. Большая внутренняя поверхность реакционных каналов способствует тому, что наряду с существованием конвективного теплообмена интенсифицируется лучистый теплообмен между углеводородным сырьем и внутренней поверхностью реакционного канала. Распределение общего расхода сырья по нескольким, например 2. . . 6 каналам, позволяет вводить сырье в каждый из них с помощью одной или двух струйных форсунок с небольшим диаметром отверстия, дающего тонкое первичное распыливание сырья. Тепловая изоляция 12 вокруг смесительного сопла позволяет создать изотермические условия эксплуатации реакционных каналов и снизить тепловые потери от корпуса реактора в зоне установки смесительного сопла до 1-2%. Длина смесительного сопла, не превышающая 2-5 диаметра реакционного канала, позволяет обеспечить наиболее полное разложение сырья при одновременном уменьшении возможности образования грита. В реакторе может достигаться производительность по углеводородному сырью до 5000 кг/ч и более при одновременном уменьшении времени реакций сажеобразования за счет интенсификации скорости их прохождения.

Исследования полученного технического углерода N220 проводились на электронном микроскопе с увеличением х 110 4 . Для исследования было взято 445 агрегатов углерода фирмы Cabot (образец 1), 265 агрегатов, полученных с использованием предложенного изобретения на шестиканальном реакторе (образец 2) и 602 агрегата, полученных на четырехканальном реакторе (образец 3). Результаты (физико-химических анализов образцов технического углерода отражены в табл. 1. Размеры полученных агрегатов и распределение агрегатов по размерам отражены в табл. 2-5.

Анализ результатов морфологических исследований 3-х образцов технического углерода, имеющих близкие физико-химические показатели, показал, что улучшенный углерод по настоящему изобретению имеет значительно меньший размер агрегатов, более узкое распределение агрегатов по размерам и меньшую пористость поверхности, что позволяет получить вулканизаторы с лучшими физико-механическими показателями (см. табл. 6).

В предложенном изобретении вышеуказанное разделение процесса сажеобразования на зоны и обеспечение наилучших параметров процесса позволяет равномерно распределить углеводородное сырье в потоках продуктов сгорания топлива и ускорить процесс испарения углеводородного сырья, обеспечить необходимое технологическое время для проведения реакции сажеобразования при прохождении пароуглеродной смеси в условиях замкнутого объема реакционного канала, обеспечить необходимое технологическое время для роста и агломерации сажи за счет торможения газового потока при объединении сажевых потоков перед их охлаждением. Технический углерод, полученный заявленным способом в многоканальном реакторе, обладает улучшенными усиливающими свойствами.

2. Способ получения технического углерода, включающий сжигание топливного газа в зоне горения, формирование зоны реакции за счет разделения общего объема продуктов горения в многоканальном смесительном сопле на несколько потоков одинакового поперечного сечения, смешение углеводородного сырья с продуктами горения в каждом потоке и охлаждение продуктов реакции сажеобразования, отличающийся тем, что в зоне реакции поддерживают скорость газового потока, равную 250-300 м/с при перепаде давления на входе и на выходе 0,02-0,04 МПа, при этом на расстоянии, не превышающем 2-5 диаметров каналов, объединяют сажегазовые потоки, обеспечивая при этом их резкое торможение и турбулентное перемешивание, охлаждение продуктов реакции ведут до 1100-1200 o С.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что углеводородное сырье подают в зоны смешения под углом 90-135 o к направлению потока продуктов горения.

5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что продукты реакции сажеобразования дополнительно охлаждают до 750-800 o С.

6. Реактор для получения технического углерода, содержащий последовательно установленные камеру горения со средствами для сжигания топлива с воздухом, многоканальное смесительное сопло со средствами для ввода сырья, камеру со средствами для охлаждения сажегазовых продуктов, отличающийся тем, что многоканальное сопло выполнено из огнеупорного материала с теплопроводностью 1,5-4,8 Вт/(мК) и теплоемкостью 0,7-1,08 кДж/(кгК), при этом длина канала составляет 2-5 его диаметров, а вокруг многоканального смесительного сопла расположен теплоизоляционный слой.

, ТУ, англ. Carbon black ) — высокодисперсный аморфный углеродный продукт, производимый в промышленных масштабах.

1. Структура

Частицы технического углерода представляют собой глобулы, состоящие из деградированных графитовых структур. Межплоскостное расстояние между графитоподобными слоями составляет 0,35—0,365 нм (для сравнения, в графите 0,335 нм).

Кроме атомов углерода в составе технического углерода присутствуют атомы серы, кислорода, азота.

Техуглерод обладает высокоразвитой поверхностью (5—150 м²/г), со значительной активностью. На поверхности обнаруживаются т. н. концевые группы (-COOH, -CHO, -OH, -C(O)-O-, -C(O)-), а также сорбированные остатки неразложившихся углеводородов. Их количество напрямую зависит от способа получения и последующей обработки углеродных частиц. Для получения пигментов часто частицы техуглерода подвергают окислительной обработке кислотами.

2. Применение

Организация технического обслуживания производства

. и основные задачи организации технического обслуживания производства. РСтруктура работы: работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы 13 страниц. 1 . Техническое обслуживание производства 1.1 Организация инструментального хозяйства .

3. Усиление резин

Усиливающее действие техуглерода в составе полимеров во многом обусловлено его поверхностной активностью. Оценить степень изменения свойств резиновых вулканизатов, содержащих 50 % по массе технического углерода разных марок, можно на основе следующих данных (в качестве основы использован БСК — бутадиен-стирольный каучук):

4. Способы получения

Существует несколько промышленных способов получения технического углерода. В основе всех лежит термическое (пиролиз) или термоокислительное разложение жидких или газообразных углеводородов. В зависимости от применяемого сырья и метода его разложения различают:

печной — непрерывный процесс, осуществляемый в закрытых цилиндрических проточных реакторах. Жидкое углеводородное сырьё впрыскивается механическими или пневматическими форсунками в поток газов полного сгорания топлива (природный газ, дизельное топливо), причём расходы всех материальных потоков поддерживаются на заданном уровне. Полученную реакционную смесь для прекращения реакций газификации охлаждают, впрыскивая в поток воду. Техуглерод выделяют из отходящего газа и гранулируют;
ламповый — непрерывный процесс, осуществляемый в специальных проточных реакторах. Жидкое углеводородное сырьё испаряется за счёт подвода теплоты к чаше, в которой оно находится. Пары сырья увлекают во внутрь реактора наружный воздух через кольцевой зазор между приёмным зонтом реактора и чашей для сырья. Материальные потоки контролируются лишь частично. Реакционный канал в хвостовой части реактора охлаждается через стенку водой. Техуглерод выделяют из отходящего газа и упаковывают;
термический — процесс осуществляется в парных реакторах объёмного типа, работающих попеременно. В один из реакторов подают газ (природный, ацетилен) в смеси с воздухом, который, сгорая, нагревает футеровку реактора. В это время во второй предварительно нагретый реактор подают только газ (без воздуха), в ходе протекания реакции футеровка остывает, подачу газа переводят в подготовленный реактор, а остывший разогревают, как описано выше;
канальный — периодический процесс, осуществляемый в специальных камерах периодического действия, в полу которых установлены щелевые (канальные) горелки. Пламя сгорающего сырья (природный газ) на выходе из горелок сталкивается с охлаждаемым водой металлическим жёлобом, процесс окисления прекращается с выделением техуглерода, который собирается внутри камеры. Полученный продукт периодически выгружают вручную.

5. Классификация

В РФ применяются две классификакации технического углерода по ГОСТ 7885 и стандарту американского общества испытания материалов ASTM D1765.

Основные физико-химические характеристики показатели марок техуглерода по ГОСТ приведены ниже:

Следующий за буквенным цифровой индекс — номер группы марок по средней удельной поверхности. Два последних цифровых индекса выбирались при утверждении марки.

Основные физико-химические характеристики показатели типичных марок техуглерода по ASTM приведены ниже:

6. Воздействие на человека

По текущим оценкам Международного агентства по исследованиям в области рака, технический углерод, возможно , является канцерогенным веществом для человека и по этой причине отнесён к группе 2B по классификации канцерогенных веществ. Кратковременное воздействие высоких концентраций пыли техуглерода может вызывать дискомфорт в верхних дыхательных путях за счёт механического раздражения.

7. Ведущие производители

Мировое производство технического углерода в 2006 году составило 10 739 000 тонн.

Примечания

Данный реферат составлен на основе .

Примеры похожих учебных работ

Усовершенствование технологии получения изделий из полиамида методом литья под давлением

. струю гомогенизированного расплава. [4]. Ресурс работы водоохлаждаемых тиглей до их ремонта составляет . равномерно разбрасывается по поверхности расплава. Отработанный воздух удаляется системой местной вентиляции. Работа высокочастотной индукционной .

Основы порошковой металлургии

. Помимо технологических разработок были проведены обширные исследования в области создания научных основ порошкового металловедения и порошковой металлургии. В 70-е годы в СССР имелось несколько сот научных организаций и .

Биопрепараты, использование при биоремедиации почв, их получение и назначение

. биопрепаратами называют препараты, полученные на основе штаммов микроорганизмов, имеющих разрешения санитарно-эпидемиологических служб на их производство . затраты, повысить скорость и эффективность биологических методов очистки загрязненных почв, .

Способ получения высших линейных альфа-олефинов и/или алкилразветвленных альфа-олефинов, .

. получению обычных С 2n альфа-олефинов, а также линейных нечетных альфа-олефинов, начиная с 1-нонена, С9 . Соотношение количеств нечетных и четных линейных олефинов представляет собой меру относительной реакционной способности .

Разработка технологии технического осмотра автомобиля в БОУ ОО СПО ‘Омский .

. день) владельцев транспортных средств о плановом приостановлении работ по техническому осмотру в связи с профилактическими или ремонтными работами. 2.2 Перечень имеющегося диагностируемого оборудования На пункте технического осмотра БОУ ОО СПО .

Продукты процессов сажеобразования Если сажу получать сжиганием сырья при недостаточном доступе воздуха, то в продуктах сгорания, кроме сажи, будут содержаться окись и двуокись углерода, метан, высшие углеводороды, водород, кислород, азот и водяные пары. Наличие кислорода в продуктах сажеобразования объясняется тем, что, несмотря на недостаточный доступ воздуха, часть его проходит через… Читать ещё >

Производство технического углерода ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Производство технического углерода

2. Способы производства сажи

3. Процессы образования сажи

4. Продукты процессов сажеобразования

5. Сырье для производства сажи

6. Приемка, хранение сырья на сажевых заводах

7. Очистка газообразного сырья

8. Получение форсунчатой и ламповой сажи

9. Получение антраценовой активной сажи Заключение Список литературы

Введение

Углерод технический (сажа) — высокодисперсный продукт неполного сгорания или частичного разложения углеводородов, содержащихся в природном и промышленном газах, а так же в нефтяных и каменноугольных маслах. Состоит главным образом из углерода (не менее 90%); содержит 0,3 — 0,8 Н; до 10% хемосорбированного О; 0,05 — 0,5% минеральных примесей. Средний диаметр частиц (преимущественно сферической формы) 10 — 40 нм; плотность: 0,8 — 1,95 г/см.

По степени кристалличности сажа занимает промежуточное положение между кристаллическим графитом и аморфным углеродом. Ее часто называют турбостратической (неупорядоченно слоевой) формой углерода. Частицы сажи связаны между собой в первичные агрегаты (состоят из параллельно-слоевых пакетов, кристаллитов, образованных обломками графитовых плоскостей, беспорядочно расположенных) вокруг общей для всех слоев нормали.

По способу производства сажи делят на три группы: канальные, печные и термические. Каждая группа включает несколько типов (марок) сажей.

* канальные (диффузионные) сажи получают при неполном сгорании природного газа или его смеси с маслом (напр. антраценовым) в так называемых горелочных камерах, снабженных щелевыми горелками. Внутри камер расположены охладительные поверхности (каналы), на которых сажа осаждается из диффузионного пламени.

* печные сажи получают при неполном сгорании масла, природного газа или их смеси в факеле, создаваемым специальным устройством в реакторах (печах). Сажа в виде аэрозоля выносится из реактора продуктами горения и охлаждается водой.

* термические сажи получают в специальных генераторах при термическом разложении природного газа или ацетилена без доступа воздуха.

Основными задачами на сажевых заводах являются: прием и хранение сырья, очистка газообразного сырья, получение сажи, улавливание сажи и обработка сажи.

1. Виды сажи В настоящее время известно значительное число различных видов сажи. Основными видами являются:

а) газовая канальная, газовая печная, термическая — из газообразного сырья;

б) форсунчатая и ламповая — из жидкого сырья;

в) антраценовая активная — из смеси паров углеводородов каменноугольного происхождения с коксовым газом.

Кроме этих важнейших видов, вырабатывают в небольших количествах ацетиленовую сажу и специальные виды сажи для высококачественных лаков и красок.

Каждый вид сажи характеризуется определенными физическими и химическими свойствами. Важнейшими физико-химическими свойствами сажи являются степень дисперсности, характер вторичных структур (сажевых цепочек) и свойства поверхности сажевых частиц.

Степень дисперсности сажи обычно характеризуют средним арифметическим значением диаметра сажевых частиц. Сада каждого вида состоит из частиц различных размеров. Так, газовая канальная и активная антраценовая сажа содержат частицы диаметром от 100 до 900 A, печная — от 100 до 1400 A, форсунчатая — от 250 до 3000 A. Еще менее однородной является ламповая сажа с частицами диаметром 250 — 4500 A и термическая сажа, диаметр частиц которой колеблется в пределах 500 — 5500 A.

Удельная поверхность сажи непосре5дственно связана со степенью дисперсности. Чем меньше размер частиц сажи, тем больше ее удельная поверхность.

Степень дисперсности влияет на многие свойства сажи и, в первую очередь, на ее усиливающее действие на каучук, так как величина адсорбционных сил, связывающих сажу с каучуком, зависит от величины удельной поверхности сажи. Усиливающее действие послужило основанием для классификации сажи по типам. Согласно этой классификации газовая канальная и активная антраценовая сажи относятся к типу активно усиливающих саж; печная и форсунчатая — к типу полуусиливающих; ламповая и термическая — малоусиливающие сажи.

Частицы большинства известных видов сажи уже в процессе образования соединяются в цепочки или образуют более сложные (разветвленные) вторичные структуры. Природа связи между сажевыми частицами не установлена. Связь между частицами настолько прочна, что сажевые цепочки не разрушаются при уплотнении сажи на сажевых заводах и при большинстве операций в процессе производства резины и красок. Наиболее сложные структуры образуют частицы ацетиленовой, активной антраценовой и форсунчатой саж. Ламповая, печная и газовая канальная сажи имеют менее сложную вторичную структуру. Термическая сажа цепочек не образует и только незначительное количество частиц этой сажи связано между собой попарно. Чем сложнее вторичная структура, тем меньше объемный вес сажи и тем труднее она поддается уплотнению. Сажа с более развитой вторичной структурой имеет более высокую электропроводность, чем сажа, не образующая вторичных структур (увеличение содержания летучих веществ вызывает снижение электропроводности). Способность сажи адсорбировать масла повышается с увеличением сложности вторичных структур.

2. Способы производства сажи Промышленные способы производства сажи основаны на разложении углеводородов под действием высокой температуры. Образование сажи в одних случаях происходит в пламени горящего при недостатке воздуха сырья, в других — при термическом разложении сырья в отсутствии воздуха. Некоторые сорта сажи получают, извлекая ее из продуктов синтеза (а в некоторых случаях и разложения) различных углеводородов (например, при синтезе ацетилена из метана). Каждый из этих способов получения сажи имеет по несколько разновидностей.

Получение сажи сжиганием сырья при ограниченном доступе воздуха осуществляется в основном двумя способами. По наиболее распространенному способу сырье сжигают в печах, снабженных горелками различного устройства. Образовавшаяся в пламени сажа в течение некоторого времени (до 6 сек.) находится вместе с газообразными продуктами процесса в зоне высокой температуры. После этого смесь сажи и газов охлаждают и отделяют сажу от газов в специальных аппаратах. По второму способу сырье сжигают при помощи горелок с узкой щелью, установленных в металлических аппаратах. Плоское пламя горящего сырья соприкасается с движущейся металлической поверхностью. Время соприкосновения пламени с этой поверхностью незначительно. Осажденная на металлической поверхности сажа быстро удаляется из зоны сажеобразования.

Термическое разложения сырья в отсутствии воздуха также производится различными способами. Некоторые виды сажи получают разложением газообразных или парообразных углеводородов в генераторе, нагретом предварительно до высокой температуры.

Если в качестве сырья применяются углеводороды, разлагающиеся с выделением тепла (например, ацетилен), то расщепление сырья на углерод (сажу) и водород производят в реакторе путем местного нагрева сырья до требуемой температуры.

Ламповую, форсунчатую и газовую печную сажи получают при неполном сгорании сырья в печах различной конструкции, газовую канальную и антраценовую активную — путем сжигания газообразного сырья в щелевых горелках с последующим осаждением сажи на металлической поверхности. Термическим разложением сырья в отсутствие воздуха получают термическую сажу из естественного газа и некоторые сорта ацетиленовой сажи.

Следует отметить, что неоднократно делались попытки получить сажу путем размола активированного угля (древесного и торфяного), кокса и других веществ, содержащих много углерода. Но даже при самом мелком помоле таких веществ получить сажу не удавалось. Неудача объясняется тем, что применявшиеся материалы имели аморфную или кристаллическую структуру, тогда как сажа занимает промежуточное место между аморфным углем и кристаллическим графитом.

3. Процессы образования сажи Процессы образования сажи сводятся к разложению углеводородов под воздействием высокой температуры и выделению из полученных продуктов углерода в виде сажи. Углеводороды пригодны для получения сажи, так как они очень богаты углеродом. Так в простейшем углеводороде — метане — содержится 75% углерода и 25% водорода; в многоядерных ароматических углеводородах — антрацене, фенантрене

— содержание углерода составляет 94,4%.

Сажу можно поучать из газообразных, жидких и твердых веществ. Естественный газ служит сырьем для производства газовой канальной, газовой печной и термической саж; из ацетилена получают различные виды ацетиленовой сажи; форсунчатая и ламповая сажи образуются при сгорании смеси различных жидких углеводородов; активную антраценовую сажу получают путем сжигания смеси паров твердых или жидких углеводородов с коксовым газом.

Для разложения углеводородов на элементарные углерод и водород требуется высокая температура. Так, например, разложение метана протекает при 1100? С; более сложные углеводороды разлагаются при еще более высокой температуре. Циклические и особенно ароматические углеводороды более стойки к воздействию тепла, чем углеводороды с открытой цепью.

Большинство углеводородов разлагается с поглощением тепла; ацетилен и некоторые ароматические углеводороды при разложении выделяют тепло.

Атомы углерода, получившиеся в результате разложения углеводородов под действием высокой температуры, группируются в кристаллические образования. В результате этого процесса должен был бы образоваться графит. Однако для образования кристаллической решетки графита требуется значительное время (несколько часов) и температура, превышающая 3000? С. Так как при получении сажи температура в зоне реакции обычно не превышает 1500? С (при получении ацетиленовой сажи температура в печи достигает 2400? С), а время пребывания сажи в реакционной зоне измеряется секундами и даже долями секунды, процесс кристаллизации не успевает закончится. Образующиеся при разложении углеводородов частицы сажи состоят из неупорядоченного набора отдельных кристаллитов и не имеют кристаллического строения.

Возникающие в результате расщепления углеводородов атомы углерода и радикалы С· являются активными центрами конденсации. Соударение этих активных центров с атомами углерода приводит к образованию графитовых сеток сажевых кристаллитов, которые при высокой температуре стремятся сгруппироваться в кристаллическую решетку. Росту сажевых частиц препятствует наличие водорода в зоне их формирования.

На формирование сажевых частиц влияет так же температура охладительной поверхности.

Введение

в пламя металлической поверхности, имеющей температуру значительно более низкую, чем температура пламени, приводит к прекращению дальнейшего роста сажевых частиц.

Дисперсность сажи зависит в основном от метода ее получения. Выбрав соответствующий метод производства сажи, можно из одного и того же сырья получать сажу с различной дисперсностью.

В процессах сажеобразования происходит не только термическое разложение молекул углеводородов, но и соединение их с образованием высокомолекулярных циклических многоядерных углеводородов и смол. В процессах получения сажи это приводит к образованию кокса и нагара.

4. Продукты процессов сажеобразования Если сажу получать сжиганием сырья при недостаточном доступе воздуха, то в продуктах сгорания, кроме сажи, будут содержаться окись и двуокись углерода, метан, высшие углеводороды, водород, кислород, азот и водяные пары. Наличие кислорода в продуктах сажеобразования объясняется тем, что, несмотря на недостаточный доступ воздуха, часть его проходит через аппаратуру, не участвуя в процессе сажеобразования. При сжигании сырья в щелевых горелках, дающих плоское пламя, в отходящих газах содержится особенно много кислорода. При сжигании сырья в топках относительно большого объема содержание кислорода в отходящих газах не превышает 2% от всего объема сажегазовой смеси. При получении сажи методами термического разложения сырья без доступа воздуха в газообразных продуктах процесса сажеобразования преобладает водород.

Кроме сажи и газов в процессе сажеобразования образуется некоторое количество твердых продуктов. При получении газовой канальной, активной антраценовой и ацетиленовой саж частично наблюдается графитирование углерода. Продукты графитирования углерода представляют собой твердые крупинки кристаллического строения, называемые графитом. Графит засоряет сажу и резко ухудшает качество резины, изготовленной с применением такой сажи.

5. Сырье для производства сажи Для получения сажи применяются следующие виды сырья:

каменноугольное (антраценовое) масло;

нефтяной пиролизный газ;

Зеленое масло представляет собой одну из фракций смолы, получающейся при пиролизе нефтепродуктов. В особенно значительном количестве (около 42%) такая смола образуется при пиролизе керосиновой, газойлевой и соляровой фракций нефти. Смола, полученная пиролизом этих нефтепродуктов при температуре около 750? С, подвергается в дальнейшем перегонке, причем фракция, выкипающая в пределах от 175 до 360? С, и является зеленым маслом.

Зеленое масло — жидкость зеленовато-бурого цвета. Содержащая значительное количество ароматических углеводородов.

Рассмотрим принцип действия установки для пиролиза жидких нефтепродуктов. Предназначенное для пиролиза жидкое сырье предварительно поступает для испарения в трубчатую печь. После отделения сепараторе неиспарившегося сырья образовавшиеся в печи пары поступают в газогенератор, где происходит пирогенетическое расщепление углеводородов. Из газогенератора продукты расщепления направляются для охлаждения и удаления смолистых примесей в промывную колонну, орошаемую смесью нафталинового и зеленого масел. Смолистые вещества удаляются из нижней части промывной колонны, а продукты пиролиза и пары масел направляются в ректификационную колонну, где в числе других продуктов выделяется зеленое масло.

Коксовый отгон выделяется из продуктов, получаемых наряду с нефтяным коксом при переработке тяжелого нефтяного сырья (гудронов, крекинг-остатков, пека пиролиза).

Коксование нефтяного сырья проводят в обогреваемых аппаратах, в которых поступающее сырье частично испаряется, а остаток под действием высокой температуры коксуется. Пары сырья из аппаратов направляются в ректификационную колонну для выделения жидких фракций, в том числе коксового отгона.

Коксовый отгон представляет собой жидкость зеленовато-бурого цвета. При использовании в производстве сажи коксового отгона выходы сажи несколько ниже, чем в случае зеленого масла, что следует объяснить меньшим содержанием в коксовом отгоне ароматических соединений. При использовании смеси зеленого масла с косовым отгоном в соотношении 1:1 заметных изменений выхода сажи и отклонений в технологическом процессе, по сравнению с работой на зеленом масле, не наблюдалось.

Каменноугольное (антраценовое) масло. В результате высокотемпературного (900?С) коксования каменного угля наряду с коксом и газом образуется каменноугольная смола; одним из продуктов ее переработки является антраценовое масло.

Каменноугольная смола имеет следующий средний состав (в %):

Хризен…2,0 Пиридиновые основания…1,0

В состав смолы входят также различные высокомолекулярные вещества, образующие при перегонке пек.

Полный состав каменноугольной смолы очень сложен — к настоящему времени в смоле обнаружено до 300 различных веществ, большинство которых содержится в незначительных количествах.

Каменноугольная смола представляет собой темно-коричневую или черную, маслянистую, вязкую жидкость со своеобразным запахом; удельный вес каменноугольной смолы колеблется между 1,05 — 1,25 г/см. чем выше температура коксования, тем выше удельный вес и вязкость смолы.

Каменноугольную смолу при дальнейшей переработке разделяют на несколько фракций:

Читайте также: