Тема 2.7. Механизм сажеобразования

Механизм сажеобразования до конца не изучен. Считается, что под действием высоких температур молекулы углеводородного сырья распадаются на свободные радикалы и атомы водорода., взаимодействие радикалов приводит к образованию новых радикалов и молекул термически стойких соединений, которые служат основой будущих частиц технического углерода. К ним присоединяются новые углеводородные радикалы и происходит формирование углеводородных решеток и кристаллитов, образующих частицы сажи.

Таким образом, образование ТУ – двухстадийный процесс, включающий образование зародышей и рост частиц. Под зародышами понимают обогащенные углеродом радикалы и возникновение их имеет характер цепного разветвленного процесса.

Образование ТУ может идти двумя различными путями:

1. Прямой путь – через конденсацию ароматических молекул;

2. Непрямой путь – имеет две ступени: первая – разрыв ароматичесих молекул с образованием низкомолекулярных соединений или радикалов, вторая – образование частиц ТУ из этих фрагментов. Тот или иной путь реакции и дисперсность получаемого ТУ зависят от условий протекания процесса и, прежде всего, от температуры реакции и концентрации углеводорода.

Процесс роста частиц представляет собой совокупность гетерогенных реакций, в которых участвуют молекулы углеводородов, находящиеся в контакте с растущей поверхностью. Процесс роста значительно ускоряется гибелью зародышей на растущей поверхности частиц.

На ранних стадиях образования частиц происходит их коагуляция. В процессе последующего роста коагулированных частиц они срастаются друг с другом с образованием первичных агрегатов, размеры и разветвленность которых характеризует степень разветвленности ТУ.

По окончании роста частиц происходит газификация углерода за счет реагирования его с реакционно-способными газами процесса: СО₂ и Н₂О. При каждом акте реагирования происходит вырывание одного атома углерода с поверхности частиц в соответствии с уравнениями:

С + СО₂ → 2 СО

С + Н₂О → СО + Н₂

Следствием этого является образование пор на поверхности частиц, увеличение адсорбционной поверхности частиц и снижение выхода ТУ. Поэтому после прекращения процессов роста частиц для прекращения реакций газификации реакционную зону охлаждают путем впрыска воды.

Размер сажевых частиц уменьшается в нескольких случаях:

1. При внесении в пламя холодной осадительной поверхности (канальная и антраценовая сажи).

2. Увеличение температуры процесса в печном способе производства сажи. Например сажу ПМ-70 получают при 1500^оС а форсуночную - при 1200^оС.

3. Уменьшение времени пребывания сажевых частиц в зоне высоких температур. Сажа ПМ-70 пребывает в зоне высоких температур 0,1 сек, а форсуночная - 3-4 сек.

Эти факторы влияют на дисперсность.

На структурированность влияют следующие факторы.

1. Структурированность снижается одновременно со снижением содержания бициклических аренов в сырье.

2. Структурированность уменьшается с уменьшением времени пребывания сажи в зоне высоких температур.

3. Структурированность снижается с увеличением турбулентости сажегазового потока.