текст лекции к тех углероду

§ 1. ПРИМЕНЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ САЖИ
Об использовании сажи известно давно. Впервые ее стали применять как красящий пигмент для изготовления чернил. Наибольшее развитие сажевая промышленность получила в начале двадцатого столетия, когда сажу стали применять в качестве усиливающего наполнителя резин.
В России сажевые заводы начали строиться только после Великой Октябрьской социалистической революции. Однако первоначально это были заводы по производству малоактивных саж. Развитие шинной и резинотехнической промышленности потребовало значительного увеличения производства саж, особенно активных и высокоактивных. В настоящее время сажевая промышленность нашей страны выделилась в самостоятельную отрасль. Сажевые заводы не только обеспечивают потребность отечественной промышленности, но и поставляют сажу в другие страны.
В 2013 году спрос составит 11.6 миллионов тонн, что будут обусловлено развитием рынка натурального каучука. 60% спроса приходится на долю шинной промышленности. Спрос в шинном секторе будет расти на 3.7% ежегодно до 2013 года, когда должен достичь отметки 6.9 миллионов тонн.
Самый быстрый рост спроса прогнозируется в Азиатско-Тихоокеанском регионе, за исключением Японии, тогда как самыми перспективными являются Китай и Индия ввиду «впечатляющих темпов развития их автомобильной и шинной промышленности соответственно». Спрос на сажу в Западной Европе «улучшится по сравнению с недавним спадом, но все же останется меньше среднего мирового уровня».
Северная Америка и Западная Европа, производившие 48% сажи для мирового рынка в 1998 году, в 2013 году будут выпускать лишь 23% от мировых объемов. В то же время доля Азиатско-Тихоокеанских производителей вырастет с 36% в 1998 году до 57%.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]

Сажа находит широкое применение в различных отраслях промышленности.
Основным потребителем сажи является шинная и резинотехническая промышленность. Сажа применяется наиболее часто в качестве активного наполнителя, особенно в резинах на основе синтетических каучуков. При введении сажи в резиновую смесь увеличивается механическая прочность резины, а также срок службы изделий из резины. Усиливающее действие сажи. тем выше, чем меньше размер ее частиц.
В электротехнической промышленности сажа применяется для производства розеток, выключателей, патронов и других изделий.
В лакокрасочной промышленности сажа является важным сырьем для производства высококачественных красок и лаков.
Современная полиграфическая промышленность предъявляет все более высокие требования к саже. Этой промышленностью потребляется в основном сажа с удельной геометрической поверхностью 200 м2/г и более.

Первичная структура технического углерода по одной из наиболее ранних моделей (рисунок 3 а) представляет сажевую глобулу как набор микрокристаллитов, лишенный всякого упорядочения. Такая модель подробно изложена в работе В.Е. Гуля и Л.З. Шенфиля [17]. Первичная частица технического углерода объясняется состоящей из отдельных кристаллических фрагментов, каждый из которых напоминает структуру графита (несколько параллельных слоев), причем ориентированы фрагменты в различных направлениях («турбостатически»). В одной из последних моделей [18] предполагается, что частицы сажи состоят из икосаэдрических слоев углерода, свернутых в спиралевидную фуллереновую оболочку (рисунок 3, б, с). Некоторые исследователи поддержали эту точку зрения, считая, что образование фуллеренов и рост сажевых частиц находятся в прямой связи.

а) б) с)
Рисунок 3 – Некоторые модели строения сажевых глобул: а – сажевая частица как набор хаотически расположенных монокристаллитов; б – отдельная частица, состоящая из концентрических углеродных слоев, расположенных
вокруг центрального ядра – дефектного фуллерена-зародыша;
с – произвольный агрегат

Согласно последней модели сажевые глобулы имеют центральную полость, размер и конфигурация которой соответствует размеру и конфигурации ядра, т.е. фуллерена-зародыша. Ядро окружено слоями сферических углеродных сеток.

Разные отрасли промышленности применяют различные типы сажи.
В мире нет единой классификации саж. В нашей стране сажа классифицируется по совокупности нескольких признаков:
по способу получения (печная П, канальная Д, термическая Т);
по сырью, из которого получается сажа жидкое углеводородное сырье (масла нефтепереработки или коксохимического производства М) и газы Г;
по удельной поверхности в м2/г;
по степени структурности (высокая В, низкая Н; для средней структурности индекса нет);
по усиливающему действию на каучук (высоко активные, активные, среднеактивные, полуактивные и малоактивные).
В соответствии с классификацией по [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] установлены 10 марок технического углерода. В зависимости от способа получения (печной, канальный, термический) маркам присвоены буквенные индексы «П», «К», «Т». Следующий за буквенным цифровой индекс характеризует средний размер частиц техуглерода в целых десятках [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Два последних цифровых индекса выбирались при утверждении марки. Основные физико-химические характеристики показатели марок техуглерода по ГОСТ приведены ниже:
Марка по ГОСТ 7885
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], 10імІ/кг
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], г/кг
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] масла, 10
·5мі/кг
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], кг/мі

П245
119
121
103
330

П234
109
105
101
340

К354
150




П324
84
84
100
340

П514

43
101
340

П701
36

65
420

П702
37,5

70
400

П705
23

110
320

П803
16

83
320

Т900
14




В основе классификации по стандарту [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] D1765 лежит способность некоторых марок техуглерода изменять скорость вулканизации резиновых смесей. В зависимости от чего маркам присвоены буквенные индексы «N» (с нормальной скоростью вулканизации) и «S» (с замедленной скоростью вулканизации, от англ. «slow» медленный). Следующий за буквенным цифровой индекс номер группы марок по средней [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Два последних цифровых индекса выбирались при утверждении марки. Стандартом описаны (по состоянию на [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] год) 43 марки техуглерода, из которых индекс «S» имеют 2. Основные физико-химические характеристики показатели типичных марок техуглерода по [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] приведены ниже:
Марка по [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] D1765
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], 10імІ/кг
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], г/кг
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] масла, 10
·5мі/кг
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], кг/мі

N110
127
145
113
345

N220
114
121
114
355

S315
89

79
425

N330
78
82
102
380

N550
40
43
121
360

N683
36
35
133
355

N772
32
30
65
520

N990
8

43
640



Пример обозначения сажи.
ПМ-100 печная высокоактивная из жидкого углеводородного сырья, с удельной геометрической поверхностью 100 м2/г.
ДМГ-80 канальная из газа и жидкого сырья, с удельной геометрической поверхностью 80 м2/ г, активная.
ПМ-ЗОВ печная из жидкого сырья, с удельной геометрической поверхностью 30 м2/г, полуактивная, высокоструктурная.

В настоящее время ведутся разработки новых типов саж с повышенной структурностью и более высокой дисперсностью, для производства которых используют более дешевое сырье.

1. Удельная поверхность это суммарная поверхность всех частиц, содержащихся в 1 г сажи. Измеряется удельная поверхность в единицах площади, отнесенной к единице массы м2/г. Этот показатель характеризует размер частиц сажи или ее дисперсность: более высокой удельной поверхности соответствует меньший диаметр частиц и более высокое число их в 1 г сажи. Зная удельную поверхность, можно рассчитать средний диаметр сажевых частиц dA с удельной поверхностью А

dA= 6/
·A ,

где р плотность сажи, г/м3.
Различают условную, геометрическую и адсорбционную удельные поверхности.
Удельная условная и геометрическая поверхности определяют дисперсность сажи при условии, что их частицы представляют собой правильные, гладкие независимо друг от друга существующие сферы. При этом для характеристики свойств малоактивных саж пользуются показателем удельная условная поверхность, а для средне активных, активных и высокоактивных удельная геометрическая поверхность. Эти величины определяют колориметрическим методом. Принцип метода состоит в измерении интенсивности светового пучка, проходящего через суспензию сажи. Вначале навеска сажи диспергируется в магнитострикционном устройстве ультразвуковой установки УЗМ-1,5.

После этого приготавливается суспензия сажи. Затем измеряется оптическая плотность полученной суспензии на фотоэлектроколориметре ФЭК-56 и по формулам рассчитывается удельная геометрическая или условная поверхности.
Высокоактивные сажи типа ПМ-100, ДГ-100, получаемые при довольно высокой температуре, имеют шероховатую поверхность вследствие выгорания
углерода на поверхности сажевых частиц. Кроме этого частицы в первичных агрегатах могут срастаться. Для учета всех этих отклонений формы частиц от идеальной вводится понятие удельной адсорбционной поверхности.
Удельная адсорбционная поверхность определяется методом адсорбции фенола сажей из водного раствора. Для этого сажа перемешивается в растворе фенола. Затем раствор фильтруется для отделения сажи. Измеряя концентрацию фенола в фильтрате, определяют количество фенола, адсорбированного сажей, и по формуле рассчитывают величину удельной адсорбционной поверхности. Удельная поверхность для каждого типа сажи может изменяться в определенных пределах, установленных по ГОСТ 788568.
Удельная поверхность является основным показателем качества сажи, так как по ее величине определяется тип сажи и ее усиливающее действие на каучук. Удельная геометрическая (или удельная условная для малоактивных саж) поверхность зависит от технологического режима производства сажи и в первую очередь от температуры процесса сажеобразования. При снижении температуры процесса удельная геометрическая поверхность уменьшается. При правильном ведении режима удельная адсорбционная поверхность должна быть выше удельной геометрической поверхности на несколько единиц.
2. Масляное число. Масляным числом (абсорбцией масла) называется количество льняного масла или другой нелетучей жидкости, химически не взаимодействующей с сажей, поглощаемое 100 г сажи при растирании. Единица измерения масляного числа мл/100 г. Теоретически масляное число должно соответствовать объему промежутков между частицами при их плотной упаковке. Масляное число характеризует степень структурности или разветвленное™ сажевых цепочек. В процессе производства сажи в реакторе или печи образуются первичные агрегаты, представляющие собой сросшиеся частицы. Образовавшиеся агрегаты являются довольно прочными и обычно не поддаются разрушению. В готовой саже первичные агрегаты, соприкасаясь между собой, образуют менее прочные вторичные агрегаты или вторичную структуру. Вторичные агрегаты легко разрушаются и вновь возникают при обработке сажи и изготовлении резиновых смесей.
Масляное число служит для определения размеров первичных агрегатов. Его определяют по количеству дибутилфталата, поглощенного навеской сажи при ее уплотнении. В навеску сажи добавляется дибутилфталат и растирается лопаткой до тех пор, пока полученная лепешка не ломается или разделяется при легком надавливании.



С повышением структурности увеличивается разветвленность сажевых цепочек, поэтому увеличивается количество масла, поглощаемого сажей. Сажи с нормальной или средней структурностью имеют масляное число около 100, с низкой структурностью 7080, с высокой структурностью более 110 мл/100 г. Данный показатель при производстве сажи необходимо постоянно контролировать, так как от степени структурности сажи зависят свойства резиновых смесей. При повышении структурности сажи улучшаются модуль, твердость, электропроводность резины. Снижение масляного числа может объясняться наличием в сырье растворов шелочей натрия или калия. Так, сырье коксохимических производств может содержать до 300 г/т растворов щелочи. Поэтому его не обходимо применять в смеси с другими видами сырья, не имеющими в своем составе щелочей или имеющих и. в ограниченном количестве. Способность щелочей снижать масляное число сажи может быть использована при производстве сажи из сырья с высоким индексов корреляции. Как известно, с повышением содержания ароматических углеводородов, масляное число сажи увеличивается. Если из высокоароматизированного сырь; необходимо получить сажу с нормальной структурностью, в него вводится раствор щелочи. Содержание щелочи может быть различным; рекомендуется для снижения масляного числа на 1015 мл/100 г вводить в сырье от 3 до 10 г щелочи/1 т сырья. При большем добавлении щелочи можно получить низкоструктурные сажи с масляным числом 7080 мл/100 г. Масляное число также можно снизить, увеличивая расход газа иль улучшая распыливание сырья форсункой.
Оптическая плотность бензинового экстракта характеризует степень разложения сырья, наличие неразложившихся остатков сырья на поверхности частиц. При нормальном ведении технологического режима он дол жен быть не более 0,05. Повышение этого показателя выше 0,05 говорит о неисправности сырьевой форсунки, недостаточном количестве распыливающего воздуха или завышенном расходе сырья. Основан метод на определении оптической плотности фильтрата, полученного после растворения сажи в бензине.
рН водной суспензии сажи обусловливает свойства поверхности сажевых частиц и их шероховатость, показывает влияние сажи на скорость вулканизации резины. Как известно, водород и сера образуют с углеродом сажи различные соединения как внутри частиц, так и на поверхности, а кислород только на поверхности. У шероховатых саж на поверхности преобладает кислород, и поэтому такие сажи имеют кислотные свойства (рН<7). Сажи с гладкой поверхностью проявляют щелочные свойства (рН>7). рН водной суспензии сажи в процессе производства можно увеличить, если повысить содержание солей в технологической воде. Определение pHj


основано на измерении электродвижущей силы, возникающей на электродах, погруженных в суспензию испытуемой сажи в воде.
Для приготовления суспензии навеска сажи смешивается с водой и спиртом и кипятится в течение 30 мин. После охлаждения суспензии измеряется рН сажи.
Содержание серы. Сера в саже находится преимущественно в связанном состоянии с углеродом. Установлено, что содержание серы в саже для данной марки находится в определенной зависимости от содержания серы в сырье. Для получения печных саж ПМ-100, ПМ-75 и ПМ-50 с предельно допустимым содержанием серы применяют сырье с содержанием не более 2,4% серы. Для остальных саж содержание серы в сырье не регламентируется. Содержание серы в саже определяется в процентах. Для определения общей серы навеска сажи сжигается в печи при температуре 900950 °С. Полученный газ поглощается раствором едкого натра, избыток которого оттитровывается кислотой; по количеству израсходованной кислоты определяется содержание серы в саже.
Содержание влаги. По этому показателю судят _ наличии между частицами сажи влаги, образующейся в процессе разложения сырья. Содержание влаги в саже обычно составляет 0,10,2%. При мокром гранулировании содержание влаги в саже может несколько увеличиться, но не должно превышать 0,51%.
Определение влаги основано на измерении массы навески сажи, высушенной в сушильном шкафу до постоянной массы.
Содержание золы. Зольность определяет наличие минеральных примесей в саже; в зависимости от типа сажи, наличия примесей в сырье и технологической воде зольность составляет от 0,1 до 0,5%. Значение зольности определяют по массе остатка, полученного после сжигания навески сажи в муфельной печи при температуре 780820 °С.
Чистота сажи определяется по таким показателям, как отсев на сите с сеткой 014К и посторонние включения. Эти два показателя зависят от качества применяемого сырья, состояния технологического оборудования, правильности ведения технологического процесса и в какой-то мере характеризуют совершенство применяемой технологии.
Остаток на сите с сеткой 014К (1890 отверстий на 1 см2) характеризует чистоту сажи (наличие в ней углеродных частиц, не проходящих через данную сетку).



При определении остатка навеска сажи протирается кистью на сите с сеткой 0I4K до прекращения появления сажи на белой бумаге, помещенной под сито, остаток на сите выражается в процентах.
Количество остатка зависит от коксуемости, чистоты и типа сырья наличие в сырье смолистых веществ, не растворимых в бензине, может служить показателем отсева в саже. Количество отсева также зависит от правильности ведения технологического процесса. Снизить отсев можно предварительной очисткой сырья с помощью различных фильтров или применением специальных присадок
Посторонние включения. Этот показатель определяется просеиванием сажи через сито с сеткой 063K (130 отверстий на 1 см2). Обычно это частицы футеровки реактора, уносимые потоком газов, окалины металл и другие частицы. Посторонние включения недопустимы в саже, так как они приводят к браку изделий Для очистки сажи применяются различные аппараты в том числе инерционные и магнитные сепараторы микроизмельчители и другие. Определение посторонних включении в саже производится так же, как и определение остатка на сите с сеткой 014К.
9. Насыпная плотность, прочность гранул и содержание пыли в саже характеризуют качество гранулированной сажи. Гранулирование сажи приобрело большое значение. Сейчас на каждом сажевом заводе предусмат- ривается гранулирование сажи. В гранулированном виде выпускается около 95% всей сажи, производимой в мире. Сажу в пылящем виде выпускают только по требованию заказчика, когда гранулированную сажу применять нельзя. Насыпная плотность гранулированной сажи в зависимости от типа сажи составляет 300500 кг/м3
Гранулы сажи при транспортировке должны сохраняться целыми. Прочность гранул оценивается по таким показателям, как сопротивление гранул истиранию и содержание пыли, т. е. содержание гранул сажи размером менее 0,1 мм. Для определения пыли навеска сажи встряхивается на сите с частотой 100130 колебаний в минуту в течение 5 мин. Гранулы, прошедшие через сито с сеткой 01 К, определяют содержание пыли в саже (в %); допустимое содержание пыли не более 8%.

Применяемое жидкое углеводородное сырье представляет собой фракции продуктов, выкипающих при температуре более 200 °С и содержащих в своем составе значительное количество ароматических углеводородов.
В качестве топлива применяется большей частью природный газ, газы нефтепереработки, а также жидкие продукты. В последнем случае для этого может использоваться часть сырья для производства сажи.
Для производства сажи применяют сырье, которое дает возможность


получить качественный продукт при наилучших технико-экономических показателях. Сырье должно быть качественным, отвечать требованиям стандартов.
Содержание ароматических углеводородов характеризуется показателем индекса корреляции сырья Ик, который можно определить по следующей формуле
Ик = 473 dt420 -456,8 +48 640/Tкип ,
где dt204 плотность сырья при 20 °С, отнесенная к плотности воды
при 4 °С;
Ткип средняя абсолютная температура кипения сырья, в К (Т=t+273); 473; 456,8 и 48 640 коэффициенты.
Чем выше индекс корреляции Ик, тем лучше сырье. Как видно из формулы, чем выше плотность сырья и ниже его средняя температура кипения, тем больше индекс корреляции. Так, для получения сырья с индексом корреляции более 90 плотность сырья должна быть около 0.99 г/см3, а средняя температура кипения не более 360 °С.
На сажевых заводах, в зависимости от типа вырабатываемых саж, применяется сырье с индексом корреляции от 80 до 160.
Газы, особенно газы нефтепереработки, применяемые в производстве сажи в качестве сырья или топлива, должны иметь высокую теплотворную способность, низкое содержание серы и механических примесей. Применяемый в сажевой промышленности природный газ имеет теплотворную способность 3437 МДж/м3 (8 9 тыс. ккал/м3), а газ нефтепереработки или нефтепромыслов 4663 МДж/м3 (11 15 тыс. ккал/м3).


Технологические схемы производства саж, применяемые на различных заводах, в основном отличаются друг от друга используемым оборудованием для улавливания сажи и способами ее гранулирования. Улавливание сажи происходит в системе из циклонов и рукавных фильтров или электрофильтрах.

Промышленные способы производства сажи основаны на разложении углеводородов под действием высокой температуры. образование сажи в одних случаях происходит в пламени горящего сырья при ограниченном доступе воздуха, в других - при термическом разложении сырья в отсутствие воздуха. некоторые виды сажи получают, извлекая ее из продуктов синтеза различных углеводородов, например, при синтезе ацетилена из метана. Каждый из этих способов получения сажи имеет ряд 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 секунд) 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.
По обоим способам образование сажи происходит в пламени горящего сырья, т.е. процесс сводится к тому, что часть сырья сгорает, создавая необходимую температуру для разложения остальной части сырья.
Широкое распространение получил способ, при котором создание необходимой температуры для разложения сырья происходит не в результате сжигания части сырья, а посредством сжигания какого-либо другого топлива. Наиболее пригодными топливами является природный газ и нефтяной пиролизный газ, получаемый в значительных количествах при переработке нефти. Иногда для этой цели применяют какое-либо недорогое жидкое нефтяное топливо. Реакторы или печи для получения сажи имеют в таком случае две зоны. В одной из них сжигают газ или жидкое топливо при небольшом избытке воздуха, а в другую зону, в которой находится пламя горящего газа, вводят нагретое, а иногда даже испаренное жидкое сырье.
При этом способе получения сажи выход продукции выше, чем при сжигании сырья с целью получения как тепла так и сажи. Кроме того, этот способ легко управляем и позволяет получать сажу с самыми различными свойствами.
Термическое разложение сырья без доступа воздуха также производится различными способами. Некоторые виды сажи получают разложением газообразных или парообразных углеводородов в генераторе, нагретом предварительно до высокой температуры.
До сих пор не существует рациональной терминологии для отдельных видов сажи. Название сажи часто указывает на способ, которым она получена. Так, название "канальная" показывает, что сажа полученная путем осаждения на металлической поверхности, оформлена в виде каналов. Название "печная", "термическая", "форсуночная" также указывают на способ получения сажи. "Ламповая" сажа прежде вырабатывалась путем сжигания масел в лампах. В настоящее время такую сажу получают в печах, но название ее сохранилось до сих пор. Название некоторых видов сажи отражают и способ получения и исходное сырье, например, "канальная газовая", "печная газовая".
Ламповую, форсуночная и газовую печную сажи получают при неполном сгорании сырья в печах различных конструкций, газовую, канальную и антраценовую - сжиганием газообразного сырья в щеловых горелках с последующим осаждением сажи на металлической поверхности. Печные активные сажи ПМ-70 и другие полуактивную сажу ПМ-50 производят в реакторах, которых сжигают газ для создания необходимой температуры и затем вводят сырье для разложения. Иногда сажи ПМ-70 и ПМ-50 получают также как и форсуночную сажу - неполным сжиганием сырья в печах. Термическим разложением сырья в отсутствие воздуха получают термическую сажу из природного газа и некоторые сорта ацетиленовой сажи.
Следует отметить, что неоднократно делались попытки получить сажу размолом активированного угля (древесного и торфяного); кокса и других веществ содержащих много углерода. но даже при самом тонком помоле таких веществ получить сажу не удавалось. Неудача объясняется тем, что применявшиеся материалы имели аморфную или кристаллическую структуру, тогда как сажа по строению занимает промежуточное место между аморфным углем и кристаллическим графитом.
Печную газовую сажу ПГМ-33 обычно получают сжиганием природного или попутного газа нефтепромыслов в специальных печах. При использовании попутного газа его перед подачей в горелки реактора очищают от

Рис. 14. Технологическая схема получения печной газовой сажи
ПГМ-33:
1 печь из сдвоенных горизонтальных реакторов; 2 активатор; 3 скруббер-холодильник; 4 электрофильтр СГ-15-6; 5 сборный шнек; 6 элеватор; 7 реверсивный шнек; 8 мешалка-уплотнитель; 9 грануляционный барабан «Ставрополец»; 10 ковшовый конвейер; 11 буккер-накопитель; 12 вагон-хоппер; 13 течка; 14 весовой дозатор.
механических примесей и легких фракций углеводородов. На некоторых заводах сажу ПГМ-33 получают сжиганием смеси природного газа с жидким сырьем или его парами. Применение жидкого сырья способствует улучшению качества сажи, увеличению ее выхода, а также повышению производительности оборудования. Технологическая схема получения печной сажи ПГМ-33 представлена на рис. 14.
Природный газ, газ нефтепереработки, попутный газ транспортируются на сажевые заводы по наземным или подземным газопроводам. Управление подачей газа осуществляется через газораспределительные пункты (ГРП). В ГРП установлены приборы для контроля и регулирования давления, а также для замера объема газа и аппараты для очистки газа. При использований газе) нефтепереработки необходимо производить их очистке от сероводорода и нафталина. Газ очищают от сероводорода мокрым способом. Сероводород извлекают и газа с помощью растворов различных химических В этаноламинов, кальцинированной соды или химическим способом (газ пропускают через твердые веществу поглощающие сероводород болотную руду, бокситовый отвал алюминиевого производства).


На ГРП имеются две ступени снижения давления: на первой ступени давление снижается от 0,70,8 д. 0,09 МН/м» (от 78 до 0,9 кгс/см»), а на второй д. 3,6 кН/м» (360 мм вод. Ст.). Затем газ поступает в общий коллектор, где его давление снижается до 1,8 кН/iv! (180 мм вод. Ст.). После чего газ подается в переднюй торцевую часть реактора 1. Воздуходувкой вместе с газом подается воздух. Для проведения процесса саже образования в заданном режиме часть или весь воздух перед подачей его в реактор подогревается в рубашке активатора 2 до 120 °С.
Сажу получают при неполном сгорании (термическом разложении) углеводородов в турбулентном потеке при 12001300.°С в печах из сдвоенных горизонтальных реакторов, футерованных огнеупорным кирпичом.
Сажа вместе с газами, образовавшимися при горении, по активатору 2 поступает в скруббер-холодильник 3, где охлаждается, чтобы прекратить рост сажевые частиц, до 180200 °С летом и до 200230 °С зимой Охлаждение происходит в результате испарения воды впрыскиваемой форсунками под давлением 0,5-1,3 МН/м2 (513 кгс/см2). Охлажденная саже газовая смесь поступает в шестипольный электрофильтр 4.
Источником питания электрофильтра являются электроагрегаты типа АРС-250. Максимальное выпрямлено напряжение составляет 6080 кВ при нагрузи 250 мА. При строгом соблюдении технологического режима и исправности оборудования электрофильтра улавливается 99,5% сажи. Очищенные газы из фильтр выбрасываются в атмосферу или направляются для использования горючей части газов в котельную или установку дожигав.
Сажа системой шнековых транспортеров 5, 7 и элеватором 6 подается в мешалки-уплотнители 8, из которого через шлюзовые затворы направляется в грануляционные барабаны «Ставрополец» 9. Для того чтобы улучшить гранулирование сажи в барабане необходимо поддерживать температуру 7090 °С. Для этого барабан окружают пароподогревателями и теплоизолируют, гранулированная сажа из барабана ковшовым конвейером 10 подается в бункер-накопитель 11. На линии выгрузки сажи из конвейера в бункер может быть установлен магнитный сепаратор для очистки сажи от ферро-тагнитных примесей. Из бункера-накопителя сажа загружается в вагоны-хопперы 12 или по течке 13 весомым дозатором 14 в мешки.
На оборудовании для производства печной газовой :сажи ПГМ-33 можно получать бенззольную сажу с незначительным содержанием золы (до 0,05%). Эта сажа нашла широкое распространение в производстве твердых сплавов.
Зола в сажу попадает в основном из технологической воды, поступающей на охлаждение саже газовая смеси холодильник. Поэтому при производстве бенззольной :сажи ее следует охлаждать оборотной водой, которую получают, конденсируя пары воды, насыщающие газ, выходящий из электрофильтра. Этот газ, имеющий температуру 170190 °С, мельничным вентилятором направляется в теплообменники. Проходя по трубам, он

хлаждается до 40 °С за счет циркуляции в межтрубном пространстве холодной технической воды. При этом в теплообменнике конденсируется влага, которую! сливают сепаратор. Туда же поступает отходящий газ для полого удаления из него влаги.

Из сепаратора конденсат транспортируется в скруббер для орошения саже газовой , а отходящий газ на дожги или в картельную. За счет удаления из отходящего газа влаги удельная теплота сгорания (калорийность) его увеличивается примерно вдвое (до 700 ккал/кг), что повышает эффективность использования газа в котельной.


ПОЛУЧЕНИЕ КАНАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ
САЖИ ДГ - 100
Сажа ДГ-100 получается в горелочных камерах путем сжигания газов в щелевых горелках при недостаточном доступе воздуха. Для увеличения производительно-

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415








сти оборудования и выхода сажи применяют газ совместно с парами тяжелых углеводородов нефтяного или коксохимического происхождения.
Технологическая схема получения сажи ДГ-100 приведена на рис. 20. Природный или попутный газ поступает по газопроводу в сепаратор 1, в котором он очищается от механических примесей, влаги и конденсата. Осевшие на дно сепаратора механические примеси, а также влага и конденсат периодически сбрасываются в шламонакопитель, а очищенный газ под давлением 150 200 кН/м2 (1,52 кгс/см2) поступает на газораспределительный пункт 2. После снижения давления газа до 1 2 кН/м2 (100200 мм вод. ст.)


он направляется в цеховой распределительный коллектор технологических установок, а затем в камерный коллектор к горелочным камерам 3. Из коллектора газ под давлением до 100 Н/м2 (10 мм вод. ст.) подается к щелевым газовым горелкам 4. При выходе из горелок газ сгорает при недостаточном доступе воздуха. Образовавшаяся в диффузионном пламени горелок сажа осаждается на швеллерах движущейся возвратно-поступательно осадительиой поверхности. Со швеллеров сажа счищается горизонтальными и вертикальными скребками в металлические бункера 5, а отходящие газы через дымоходы выбрасываются в атмосферу. Подача воздуха в камеру регулируется изменением щели между фундаментом и камерой (см. рис. 21).
Из бункеров 5 сажа с помощью камерного (на рисунке не показан) и аллейного 6 шнеков через шлюзовой затвор вентилятором пневмотранспорта 7 подается в аппарат-ловушку 8. Аппарат-ловушка предназначен для предварительной очистки сажи от грита и окалины, попавших в нее в процессе получения и движения по транспортирующим системам. Отходы из аппарата-ловушки выгружаются в емкость или мешки и сжигаются, а очищенная сажа направляется в циклон 9 для отделения от транспортирующего воздуха. Очищенный воздух из циклона 9 поступает к вентилятору 7, а сажа через распределительный шнек 10 в бункер 11. Для обеспечения равномерной подачи сажи из бункера 11 в центробежный сепаратор 12 на выходе из бункера 11 установлен шлюзовой затвор. В центробежном сепараторе 12 производится окончательная очистка сажи от различных посторонних включений. Так как отходы, удаляемые из сепаратора, увлекают с собой значительное количество сажи, их приходиться дополнительно очищать. Вентилятором 13 отходы с сажей направляются в аппарат-ловушку 14 для их разделения. Отходы выгружаются и поступают на сжигание, а очищенная сажа через циклон 15, где производится ее отделение от транспортирующего воздуха, отправляется в аппараты-ловушки 8 для повторной очистки вместе с сажей, вновь поступающей из горелочных камер 3. Воздух из циклона 15 подается к вентилятору 13. Затем очищенная сажа вентилятором 16 транспортируется в циклон 17, в котором воздух отделяется от сажи и снова возвращается к вентилятору 16. Сажа из циклона 17 шнеком 18 подается в уравнительный бункер 19 и далее в грануляционный барабан 20. Гранулирование сажи производится сухим способом в барабанах АСА-1. Для улучшения качества гранулированной сажи и повышения производительности барабана часть гранулированной сажи шнеком 22 подается в барабан вместе с пылящей сажей. Гранулированная сажа подается в барабан также после его ремонта с целью ускорения начала образования гранул. Гранулированная сажа из барабана 20 элеватором 21 подается в бункер готовой продукции 23, из которого загружается в вагоны-хопперы или через порционные весы 24 в мешки.

ПОЛУЧЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ САЖИ ТГ-10
§ 18. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА
Малоактивная термическая сажа ТГ-10 вырабатывается из природного газа или других углеводородов, разлагаемых при высокой температуре без доступа воздуха на углерод и водород. Технологическая схема производства сажи ТГ-10 (рис. 26) является одной из самых простых схем ее производства. Термическое разложение сырья происходит в генераторах периодического действия 1 при температуре более 1100°С. Для обеспечения непрерывной работы в технологическом потоке устанавливают два генератора; в то время как в одном из них идет процесс образования сажи, другой нагревается. Сажегазовая смесь из генератора по коллектору поступает в холодильник 2, где она охлаждается до температуры не более 120 150°C водой, впрыскиваемой в холодильник и подаваемой в рубашку холодильника. Охлажденная сажегазовая смесь поступает в циклон 3 для отделения сажи от газов. Доочистка газов производится в тканевых рукавных фильтрах 4. Сажа из циклона 3 и фильтра 4 че-

рез шлюзовые затворы элеватором 5 подается в отвеивательный сепаратор 6 с вертикальным валом, предназначенный для очистки сажи от механических примесей. Из сепаратора очищенная сажа шнеком 7 и элеватором 8 направляется в бункер готовой продукции 9, из которого сажа выгружается в мешки или вагоны-хопперы.


§ 20. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УЛАВЛИВАНИИ
САЖИ
Сажегазовая смесь состоит из окиси углерода, двуокиси углерода, водорода, азота и сажи (до 50 г на 1 м3 газов). На одном технологическом потоке образуется до 50 тыс. м3 газов в час. Очистка газов производится с целью извлечения готового продукта, а также предотвращения загрязнения атмосферного воздуха сажей. Из образующихся газов окись углерода и сероводород ядовиты. Эти газы в смеси с водородом и воздухом образуют взрывчатые смеси. Сажа является одним из наиболее дисперсных продуктов; она может загораться при контакте с воздухом с образованием окиси углерода. При попадании сажи в электрическую аппаратуру может произойти короткое замыкание и возникнуть пожар. Все это создает значительные трудности при отделении сажи от газов и предъявляет определенные требования при выборе оборудования для улавливания сажи.
На современных сажевых заводах для улавливания сажи используют различные системы с применением аппаратов охлаждения сажегазовой смеси, выделения и дальнейшего транспортирования полученной сажи и очищенных газов.
Аппараты для улавливания сажи можно разделить на следующие группы:
1. Аппараты механической очистки газов -- отделение частиц сажи происходит под действием собственного веса, центробежных сил и инерции.
Аппараты мокрой очистки газов -- сажа улавливается при промывке газа жидкостью.
Фильтры, в которых сажа задерживается на поверхности фильтрующего элемента.
Электрофильтры- улавливание сажи происходит под действием сил электрического поля.
При выборе оборудования для улавливания сажи учитывается дисперсность сажи, наличие взрывоопасных газов. В настоящее время для улавливания сажи наибольшее распространение получили аппараты механической очистки, тканевые фильтры и электрофильтры. Для улавливания активных и



высокоактивных саж лучше использовать аппараты механической очистки
вместе с тканевыми фильтрами.

ГРАНУЛИРОВАНИЕ САЖИ
§ 25. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ I
Уловленная в циклонах и фильтрах сажа представляет собой порошкообразный продукт с размером частиц от 9 до 600 мкм. При использовании такой сажи возникают определенные трудности: затруднена точная дозировка сажи на заводах-потребителях, для ее транспортирования необходимо устанавливать большое число транспортных средств. При перегрузке и пересыпании порошкообразной сажи, вследствие ее сильного пыления, ухудшаются санитарные условия на рабочих местах, а также повышаются потери сажи (2-3%). Поэтому одной из важнейших стадий в технологии производства сажи является ее гранулирование. Гранулирование -процесс принудительного образования вторичной структуры, сопровождающийся уменьшением размеров первичных агрегатов.
Гранулирование сажи производится для того, чтобы увеличить ее насыпную плотность с 40120 до 300-500 кг/м3; придать ей текучесть в системах хранения транспортирования и дозирования; уменьшить продолжительность смешения с каучуком в резиносмесителях.
К гранулированным сажам потребителями предъявляется ряд требований. Гранулы сажи должны иметь сферическую форму и возможно большую плотность;

Таблица 9 Техническая характеристика оборудования для гранулирования сажи

оборудования
Метод гранулирования
Сажи
Производительность, т/сут
Размеры бар диаметр
абана, мм длина


Частота вращения, об/мин


Грануляционный барабан
АСА-1
«Ставрополец» БАС-20 Смеситель-гранулятор скоростной двухступенчатый . Сушильный барабан MAC-1200 БСК-

Сухой
То же
Мокрый То же


ПМ-100, ПМ-75, ПГМ-33, ДГ-100, ДМГ-105А, ДМГ-80
ПМ-75, ПГМ-33 ПМ-75, ПМ-100
Сажи всех марок ПМ-50, ПМ-ЗОВ, ПМ-15
Сажи всех марок
То же

610
3050 1520
До 40 1218
1520 3540

3,0
2,8 2,5
0,5 0,5
2,7 2,2

3,6
14
18
2,02,5 2,53,0
12
18,5

4,26
6,58,5 516
360480 45,7*
2,34,6
2,31; 3,1;
4,65

при этом сажа занимает меньший объем и обладает хорошей текучестью.
Размеры гранул должны быть по возможности одинаковы. Наличие в саже




крупных и мелких гранул или пыли приводит к тому, что они при транспортировании образуют «пробки», препятствующие нормальной разгрузке сажи. Гранулы различных саж имеют размер от 0,1 до 2,0 мм. Однородность гранул по размерам оценивается по их фракционному составу,
Гранулы должны обладать определенной прочностью. Прочность гранул определяется назначением сажи. Так, гранулы сажи ПМ-75, применяемой для протекторным резин, должны обладать высокой прочностью. В смесям с высоким содержанием масел желательно применятся гранулированную сажу с наименьшей прочностью.
Влажность гранул не должна превышать 1%.
В процессе гранулирования сажи происходит изменение ее структуры, что можно определить по уменьшению масляного числа. Это необходимо учитывать особенно для высокоструктурных саж, так как с увеличением промышленности гранул значительно снижается масляное число.
Сажу можно гранулировать сухим и мокрым способами. Сухим способом гранулируют наиболее активные сажи с удельной геометрической поверхностью от 75 м2/г и выше и сажи средней структурности. Мокрым способом гранулируют сажи с различной дисперсностью и струм низкодисперсные и высокоструктурных сажи можно гранулировать только мокрым способом. Характеристика оборудования, используемого для гранулирования, приводится в табл. 9,


Приложенные файлы

  • doc 8304695
    Размер файла: 639 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий