1. Реакционное оборудование получения технического углерода

1.1. Основные способы получения техуглерода

1.2. Технология получения печного техуглерода

Технический углерод (ТУ) вырабатывается путём термоокислительного разложения углеводородов под действием высокой температуры при недостатке воздуха. Процесс разложения осуществляют сжиганием в печи или реакторе какого-либо вспомогательного горючего или сжиганием части того сырья, из которого вырабатывают ТУ. Сырьё вводят в печь в виде капель, образованных при распылении его форсунками пневматического или механического действия.

В печи происходит одновременно несколько различных процессов:

• сгорание вспомогательного горючего или части сырья для получения тепла, необходимого для термического разложения углеводородов;

• испарение капель сырья;

• частичное неполное сгорание сырья с образованием вследствие недостатка кислорода окиси углерода и паров воды;

• термическое разложение углеводородов сырья с получением частиц ТУ (начало сажеобразования);

• взаимодействие между полученными частицами и газообразными продуктами процесса.

Каждый из этих процессов зависит от ряда условий, которые можно регулировать.

Создание необходимой температуры для разложения углеводородов зависит от количества сжигаемого вспомогательного топлива (или части сырья), его теплотворной способности, от количества и температуры воздуха, подаваемого в печь. С повышением температуры интенсивность процессов, протекающих в печи возрастает.

Скорость испарения и частичного сгорания капель сырья зависит от степени его распыленности. Чем меньше размеры капель, тем быстрее протекают эти процессы. Степень распылённости сырья (при одной и той же конструкции форсунки) в свою очередь зависит от температуры сырья (чем выше температура, тем меньше размеры капель), а при пневматических форсунках – от количества распыливающего воздуха (размеры капель уменьшаются с увеличением количества воздуха).

Образование окиси углерода и паров воды при термическом разложении сырья предшествует образованию ТУ. Последнее начинается лишь тогда, когда содержание кислорода в зоне реакции снижается до 1,5–2 объёмн. %. Выход ТУ зависит от количества воздуха, поступающего в печь: с уменьшением подачи воздуха на единицу массы сырья и вспомогательного горючего выход ТУ увеличивается. Однако сокращать подачу воздуха можно до строго определённого предела, превышение которого может вызвать снижение степени дисперсности ТУ.

Увеличение интенсивности процессов в печи за счёт повышения температуры и сокращения размеров капель сырья приводит к повышению дисперсности получаемого ТУ.

Степень структурности ТУ можно регулировать, изменяя содержание ароматических углеводородов в сырье и время пребывания ТУ в зоне высоких температур.

При производстве печного ТУ часть сырья иногда не успевает разложиться и неразложившиеся углеводороды адсорбируются поверхностью сажевых частиц, что резко ухудшает качество ТУ. Этого можно избежать, повышая температуру процесса и степень распыления сырья.

Для получения ТУ с определённой степенью дисперсности и структурности необходимо регулировать время пребывания её в зоне реакций; это достигается быстрым охлаждением саже-газовой смеси путём впрыскивания в реактор воды (испаряясь, вода понижает температуру сажи и газов). Быстрое охлаждение саже-газовой смеси до 700–750 С приостанавливает рост сажевых частиц и прекращает взаимодействие сажи с газообразными продуктами, выделяемыми в процессе сажеобразования.

Влияние изменения основных параметров процесса на свойства ТУ и на его выход показано в таблице 18.

Печной способ получения ТУ является наиболее распространённым, и в настоящее время до 80% ТУ вырабатывают этим способом

К преимуществам печного способа относятся:

• возможность получения ТУ с разнообразными технологическими свойствами. Так, печным способом можно получить высокодисперсный ТУ с удельной поверхностью до 140 м²/г, ТУ, приближающийся по свойствам к канальной саже и малодисперсный с удельной поверхностью 16 м²/г;

• высокий выход ТУ, вследствие чего себестоимость печного ТУ, как правило, ниже себестоимости ТУ, выработанного другими способами;

• сравнительно несложное управление процессом сажеобразования, что позволяет получать ТУ с заранее заданными свойствами;

• возможность полной автоматизации процесса сажеобразования.

При других способах полностью автоматизировать процесс получения ТУ не удаётся.