В обозначении некоторых марок технического углерода есть и пятый - дополнительный индекс, буквенный. Он отражает разные признаки:
- назначение продукции, например: для электротехнической промышленности - Э; для химических источников тока - ХИТ; для крашения - К;
- свойства, например: высокую степень чистоты от примесей грубодисперсных частиц (пироуглерода или продуктов коррозии аппаратуры) - ВЧ;
- дополнительную обработку (М - модифицированный, О - окисленный).
Во втором варианте классификации ТУ, по ASTM D1765, в основе лежит способность некоторых марок техуглерода изменять скорость вулканизации резиновых смесей. В зависимости от этого маркам присвоены буквенные индексы «N» (с нормальной скоростью вулканизации) и «S» (с замедленной скоростью вулканизации, от англ. «slow» — медленный), далее цифровой индекс — номер группы марок по средней удельной поверхности, следующий цифровой индекс обозначает уровень структурности.
Области применения
Технический углерод – продукт, востребованный во многих сферах производства и повседневной жизни человека [7,8].
Шинная отрасль
Стремительное развитие автоиндустрии, авиастроения, сельского хозяйства и добывающей промышленности ставит перед шинной отраслью задачи, требующие развития технологий производства и совершенствование химического состава шин.
Пластики
В связи с широким применением пластмасс в различных отраслях производства полимерная промышленность развивается динамичными темпами. Ежегодно потребление пластмасс увеличивается, замещая традиционные материалы, такие, как дерево, стекло, металл.
Резинотехнические изделия
Резинотехнические изделия стали неотъемлемой частью многих отраслей промышленности и народного хозяйства благодаря высокой прочности, эластичности и длительному сроку службы. Использование специальных марок технического углерода позволяет улучшить механические, электро- и теплопроводные свойства резины, обеспечить максимальное сопротивление нагрузкам.
Пищевая промышленность
Особые марки технического углерода получили применение при производстве изделий, контактирующих с пищей, товаров повседневного спроса и детских игрушек.
Печатные краски и тонеры
Технический углерод обладает хорошей красящей способностью, что позволяет использовать его в качестве одного из компонентов при производстве красок и тонеров. (Рисунок 7)
Рисунок 7 - Области применения технического углерода.
3. Основная часть
Описание технологического процесса получения технического углерода в ОТУМ ЦНХТ ИК СО РАН
В основе процесса изготовления технического углерода лежит термоокислительный пиролиз жидких углеводородов с последующей термообработкой образовавшегося материала в среде продуктов пиролиза в реакторе при высоких температурах. Процесс непрерывный.
Процесс образования частиц технического углерода двухстадийный и включает стадии:
- образование зародышей частиц;
- рост зародышей.
Образование зародыша частицы также двухстадийно и начинается с образования радикала-зародыша в результате термического (или иного энергетического) инициирования исходных молекул сырья. Радикал – зародыш, взаимодействуя с исходным сырьем, начинает цепной процесс, в результате которого растет его молекулярная масса и уменьшается химическая активность.
Процесс образования зародыша из этилена (1) и бензола (2) схематично представлен ниже на модельных системах:
С2 С4 С6 Сn (1)
В определенный момент времени (через10-3-10-4 с) растущий радикал-зародыш теряет химическую активность (возможность продолжать цепной процесс) и у него появляется физическая поверхность – то есть он превращается в зародыш. Далее зародыш, взаимодействуя с сырьем, растет, образуя частицы и агрегаты материала. Рост зародышей – гетерогенная реакция, в которой участвуют молекулы углеводородов, находящиеся в контакте с растущей поверхностью.
На ранней стадии образования частиц происходит их срастание (коагуляция) с образованием первичных агрегатов, размеры и разветвленность которых характеризуют степень структурности технического углерода. По окончании процесса поверхность первичных агрегатов взаимодействует с компонентами газовой среды, главным образом, с водяным паром и двуокисью углерода по уравнениям:
C + CO2 = 2CO,
C +H2O = CO + H2
В результате чего на поверхности техуглерода происходят вторичные процессы, связанные с выгоранием углерода и приводящие к изменению свойств техуглерода.
С увеличением продолжительности (время контакта) пребывания частиц в атмосфере реакционных газов увеличивается удельная адсорбционная поверхность и электропроводящие свойства технического углерода.
Условия для формирования техуглерода с высокой структурностью и электропроводностью создаёт аксиальная подача исходных реагентов в начальной стадии синтеза. Это обеспечивает образование коаксиальных высокотемпературных потоков сырья и продуктов горения природного газа, разделенных коаксиальным потоком подогретого воздуха, что предотвращает быстрое перемешивания сырья с продуктами горения и способствует предварительному пиролизу (подготовке) сырья. Такая подача реагентов позволяет увеличить до 1500 мм длину пути (время) до перемешивания сырья с продуктами горения природного газа, после чего происходит интенсивное перемешивание и термическое разложение сырья с образованием углеродных частиц и газообразных продуктов реакции. Испарение и термическое разложение углеводородного сырья заканчивается за 0,1 сек от момента ввода сырья. Далее, образовавшиеся частицы и агрегаты техуглерода при прохождении реакционного канала в течение 0,3 - 0,5 сек. подвергаются термоокислительной обработке, которая интенсифицируется при подаче воздуха среднего давления в зону реакции. Для прекращения вторичных процессов реакционную смесь охлаждают водой до температуры 700-750 0С.
Материальный баланс
Схема расчета материального баланса процесса получения технического углерода классификационной разновидности П 267-Э с указанием расхода основных компонентов приведена на рисунке 8.
Рисунок 8 - Схема расчета материального баланса процесса получения
технического углерода
Материальный баланс процесса получения технического углерода классификационной разновидности П 267-Э приведен в таблицах 2 и 3
Таблица 2 – Материальный баланс термоокислительного пиролиза углеводородов
Наименование компонента
|
Единица измерения
|
м3/ч
|
кг/ч
|
% масс.
|
Приход
|
Углеводородное сырье
|
|
800
|
9,53
|
Природный газ (плотность 0,72 кг/м3)
|
100
|
72
|
0,86
|
Технологический воздух (плотность 1,29 кг/м3)
|
3700
|
4773
|
56,85
|
Техническая вода
|
|
2750
|
32,76
|
Всего
|
|
8395
|
100,0
|
Расход
|
Аэрозоль технического углерода, в том числе:
реакционные газы (плотность 1,08 кг/м3)
технический углерод
|
7529
|
8131
264
|
96,86
3,14
|
Всего
|
|
8395
|
100,0
|
Таблица 3 – Материальный баланс стадии выделения и фильтрации технического углерода
Наименование компонента
|
Единица измерения
|
м3/ч
|
кг/ч
|
% масс.
|
Приход
|
Аэрозоль технического углерода, в том числе:
реакционные газы (плотность 1,08 кг/м3)
технический углерод
|
7529
|
8131
264
|
80,08
2,60
|
Влажный аэрозоль из сушильного барабана, в том числе:
влажные газы из сушильного барабана (плотность 1,077 кг/м3)
технический углерод
|
1611
|
1735
23
|
17,09
0,23
|
Всего
|
|
10153
|
100,0
|
Расход
|
Технический углерод на сушку
|
|
264
|
2,60
|
Очищенные газы с неуловленным техническим углеродом на термическое обезвреживание, в том числе
очищенные газы (плотность 1,079 кг/м3)
технический углерод (потери)
|
9140
|
9866
23
|
97,17
0,23
|
Всего
|
|
10153
|
100,0
|
Контроль параметров процесса получения технического углерода марки П267-Э
Технологическая карта производства технического углерода
Расход
|
Температура, оС
|
Давление, МПа
|
Время
|
Сырья общий, кг/ч
|
Топливного газа, м3/ч
|
Воздуха НД на горение, м3/ч
|
Воды в зону закалки, кг/ч
|
Сырья перед форсунками
|
Воздуха НД на горение
|
В зоне горения
|
В зоне реакции
|
В зоне закалки
|
Сырья перед форсунками
|
Топливного газа
|
Воды в зону закалки
|
Воздуха ВВД на распыливание
|
Воздуха ВД в кольцевой зазор
|
В реакторе
|
Воздуха НД перед ПВ-53
|
Воды, общее
|
Воздуха ВВД на КИП, общее
|
0800
|
785
|
110
|
2700
|
1260
|
118
|
511
|
1586
|
1512
|
746
|
0,9
|
0,22
|
0,56
|
0,09
|
0,17
|
66,4
|
0,70
|
0,88
|
0,16
|
0900
|
700
|
110
|
2700
|
1280
|
117
|
510
|
1586
|
1518
|
748
|
0,9
|
0,20
|
0,55
|
0,09
|
0,17
|
66,9
|
0,70
|
0,89
|
0,16
|
1000
|
700
|
115
|
3000
|
1380
|
117
|
508
|
1590
|
1520
|
747
|
0,9
|
0,21
|
0,66
|
0,09
|
0,17
|
66,8
|
0,70
|
0,89
|
0,16
|
1100
|
720
|
115
|
2800
|
1360
|
117
|
501
|
1586
|
1528
|
750
|
0,9
|
0,23
|
0,70
|
0,09
|
0,17
|
66,9
|
0,70
|
0,90
|
0,16
|
1200
|
770
|
123
|
3200
|
1430
|
117
|
510
|
1600
|
1553
|
750
|
0,9
|
0,22
|
0,80
|
0,09
|
0,17
|
67,1
|
0,70
|
0,90
|
0,16
|
1300
|
780
|
120
|
3200
|
1530
|
118
|
510
|
1610
|
1538
|
743
|
1,0
|
0,22
|
0,80
|
0,09
|
0,17
|
66,5
|
0,70
|
0,95
|
0,16
|
1400
|
790
|
117
|
3200
|
1520
|
119
|
506
|
1613
|
1533
|
731
|
1,0
|
0,20
|
0,80
|
0,09
|
0,17
|
66,4
|
0,70
|
0,94
|
0,16
|
1500
|
790
|
115
|
3200
|
1820
|
118
|
506
|
1612
|
1531
|
741
|
1,0
|
0,20
|
0,80
|
0,09
|
0,17
|
64,8
|
0,70
|
0,93
|
0,16
|
1600
|
790
|
115
|
3200
|
1610
|
118
|
511
|
1612
|
1537
|
743
|
1,0
|
0,20
|
0,80
|
0,09
|
0,17
|
65,0
|
0,70
|
0,92
|
0,16
|
1700
|
790
|
120
|
3200
|
1540
|
117
|
498
|
1610
|
1538
|
750
|
1,0
|
0,20
|
0,80
|
0,09
|
0,17
|
65,0
|
0,70
|
0,92
|
0,16
|
1800
|
740
|
118
|
3200
|
1550
|
119
|
498
|
1610
|
1549
|
750
|
1,1
|
0,22
|
0,80
|
0,09
|
0,17
|
66,2
|
0,70
|
0,96
|
0,16
|
1900
|
743
|
119
|
3200
|
1560
|
119
|
496
|
1616
|
1547
|
749
|
1,1
|
0,20
|
0,80
|
0,09
|
0,17
|
64,1
|
0,70
|
0,96
|
0,16
|
2000
|
760
|
117
|
3200
|
1350
|
119
|
498
|
1611
|
1540
|
750
|
1,1
|
0,21
|
0,80
|
0,09
|
0,17
|
65,2
|
0,70
|
0,96
|
0,16
|
4. Заключение
За период прохождения производственной практики мной был освоено ведение процесса получения технического углерода печным способом.
Определен режим получения, обеспечивающий соответствие полученного технического углерода П267-Э по показателям качества: адсорбция йода, абсорбция масла, остаток на сите после просева, рН водной суспензии, насыпная плотность, зольность и электросопротивление.
Было установлено, что значение адсорбции фенола и абсорбции масла увеличивались при повышении удельного соотношения расходов воздуха НД, сырья и природного газа, соответственно и температуры в зоне горения. Такая зависимость является типичной для печного способа производства. Также установлено, что значение показателя - абсорбция масла (структурность) может регулироваться изменением давления воздуха ВД на распыл сырья. На протяжении всего режима расход сырья составлял 650-800 кг/ч, расход природного газа находился в диапазоне от 90 до 118 м3 /ч, при этом расход воздуха НД изменялся в пределах 2400- 2700 м3 /ч. Соотношение расходов ВНД и природного газа на горение составляло значение не менее 15. Значения показателей качества технического углерода, полученного при установленных технологических параметрах процесса составляли: адсорбция фенола 230 м2/г и масленое число 180 мл/100 г, значение удельного объемного электрического сопротивления не превышало 1,8·10-3 Ом·м.
Библиографический список
Суровикин, Ю. В. Технический углерод как основа функциональных нанокомпозитов с регулируемыми свойствами / Ю. В. Суровикин // Технологическое горение : коллективная монография ; под общ. ред. акад. С. М. Алдошина, чл-корр. РАН М. И. Алымова. – Гл. 8. – М. : Изд-во РАН, 2018. – С. 191–216.
Гюльмисарян, Т. Г. Технический углерод: морфология, свойства, производство / Т. Г. Гюльмисарян, В. М. Капустин, И. П. Левенберг. – М. : Каучук и Резина, 2017. – 586 с.
Орлов В.Ю. Производство и использование технического углерода для резин/ В.Ю. Орлов, А.М. Комаров, Л.А. Ляпина – Ярославль: Издательство Александр Рутман,2002.- 512 с.
Печковская К.А. Сажа как усилитель каучука / К.А. Печковская - М. Химия 1968г. 215 с.
Зуев В.П. Производство сажи.- 3-е изд-ие., перераб. и доп. / В.П. Зуев, В.В. Михайлов – Москва: Издательство Химия, 1970.
Буланов И.М. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов / И.М. Буланов, В.В. Воробей – Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана,1998.
Рогов В.А. Классификация композиционных материалов и их роль в современном машиностроении / В.А. Рогов, М.И. Шкарупа, А.К. Велис //Вестник РУДН, серия Инженерные исследования. 2012. №2. С. 41–49.
Карабасов Ю.С. Новые материалы / Ю.С. Карабасов – М: МИСИС. – 2002 – 736 с.
|
Скачать 2.43 Mb.