книги / Природные энергоносители и углеродные материалы Состав и строение. Современная классификация. Технологии производства и добыча

почти не агрегируются в цепочечные и разветвлённые структуры. Термиче­ ская сажа также почти не содержит химически сорбированного кислорода.

Себестоимость производства термической сажи самая низкая среди других видов технического углерода. Сочетание низкой стоимости с её свой­ ствами обуславливает её широкое применение в качестве наполнителей пла­ стмасс и эластомеров. Термические сажи имеют сравнительно невысокую удельную поверхность, больший, в сравнении с другими сажами размер час­ тиц и используются нередко в качестве теплоизоляционной засыпки. Напри­ мер, сажа марки ТГ-10 состоит из частичек размером 150-300 нм, её удельная поверхность около 10 м2/г.

Ацетиленовая сажа, как и термическая, образуется в результате тер­ мического разложения. Отличие процесса от термического образования сажи заключается в экзотермическом характере реакция разложения ацетилена, что позволяет поддерживать её без подвода внешнего тепла. Ацетиленовая сажа характеризуется высокой структурностью и малым содержанием лету­ чих веществ, что обеспечивает высокую электропроводность пластмассам, в которых сажа является наполнителем.

Технический углерод имеет широкое промышленное применение, его производство составляет 7-8 млн. т/год. Около 95 % всей выпускаемой сажи используется для наполнения резин в производстве шин и резиновых техни­ ческих изделий. Наибольшее применение при изготовлении шин и резино­ технических изделий получили печные сажи, получаемые из термогазойля, марок ПМ-30, ПМ-50, ПМ-75, ПМ-100. Около 5 % (особенно тонкодисперс­ ные сорта сажи) используются в качестве пигментов в производстве типо­ графских красок, окрашивании пластмасс и их наполнении.

В производстве пластмасс наибольшее количество технического угле­ рода используется в качестве наполнителя полиэтилена для изготовления проводов и кабелей. Незначительное количество сажи расходуется на произ­ водство различных искусственных углеродных материалов.

Контрольные вопросы

1.Какое вещество называется пеком?

2.Расскажите о свойствах пеков.

3.Расскажите о технологиях производства пеков.

4.Где применяются пеки?

5.Какое вещество называется коксом?

6.Охарактеризуйте свойства каменноугольных и пековых коксов.

7.Расскажите о технологиях производства каменноугольного кокса.

8.Назовите основные свойства нефтяного кокса.

9. Расскажите о технологиях производства нефтяного кокса.

10.Расскажите о направлениях применения коксов.

11.Какое вещество называется сажей?

12.Где применяется технический углерод?

Темы рефератов

1.Свойства, технологии, применение пеков.

2.Свойства, технологии, применение каменноугольных и пековых коксов.

3.Свойства, технологии, применение нефтяных коксов.

4.Свойства, технологии, применение технического углерода.

Литература

1.Ахметов С.А., Ишмияров М.Х., Кауфман А.А. Технология переработки нефти, газа и твердых горючих ископаемых. М.: Недра. 2009. - 844 с.

2.Колокольцев С.Н. Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения.М.: Интеллект, 2012. - 296 с.

3.Островский В.С., Виргильев Ю.С., Костиков В.К., Шипков Н.Н. Искусст­ венный графит. - М.: Металлургия, 1986. - 272 с.

4.Привалов В.Е., Степаненко М.А. Каменноугольный пек. - Москва.: Ме­ таллургия, 1981. - 207 с.

5.Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы. Пермь.: ПГУ, 2009. - 342 с.

Основные термины

Абляция (от лат. ablatio - отнятие) — унос веществ с поверхности твердого тела потоком горячего газа.

Адгезия (от лат. adhaesio - прилипание) — прилипание; явление, при кото­ ром две поверхности разнородных тел (фаз) соединены вместе за счет поверхностных сил или других механизмов сцепления; мерой взаимо­ действия двух фаз на их границе раздела является работа адгезии.

Алканы (парафины) — насыщенные ациклические углеводороды линейного или разветвленного строения, содержащие только простые связи и об­ разующие гомологический ряд с общей формулой С0Н2п+2-

Аллотрбпия (от греч. alios - другой и /го/им - поворот, свойство) — сущест­ вование химических элементов в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам.

Алмаз — минерал, кристаллическая кубическая полиморфная модификация самородного углерода, по блеску, красоте и твердости превосходящий все минералы.

Анизотропия (от греч. anisos - неравный и tropos - направление) — неоди­ наковость количественных характеристик физико-механических и дру­ гих свойств материала по различным направлениям.

Арены (ароматические углеводороды) — вид ароматических органических соединений, состоящих из углерода и водорода и содержащих одно или несколько бензольных колец.

Асфальтены (^-фракция) — вещества связующего, нерастворимые в петролейном эфире и бензине, но растворимые в пиридине и бензоле.

Битум (от лат. bitumen - горная смола) — общее название природных и по­ лучаемых искусственно сложных органических веществ, состоящих из углеводородов, их кислородных, сернистых и азотистых производных; природные битумы входят в состав нефти (асфальт), а также каменного и бурого углей, торфа.

Витрен (от лат. vitrum - стекло) — блестящая черная хрупкая составляющая ис­ копаемого угля, характерная для гумолитов. Образует в пластах линзы и слои; основной носитель спекающих свойств ископаемых углей.

Водородный показатель pH — характеристика концентрации (активности) ионов водорода в растворах; численно равен отрицательному десятич­ ному логарифму концентрации (активности) водородных ионов (Н+), выраженной в молях на литр: pH = -ЭДН4]. Водные растворы могут иметь p H от 1 до 14; в нейтральных растворах рЯ = 7, в кислых <7, в щелочных >7.

214 Основные термины

Газ попутный (нефтяной) — смесь свободного газа газовой шапки и нефтя­ ного газа. Нефтяной газ растворен в нефти подземной залежи и выде­ ляются при её добыче.

Газ природный — смесь газообразных углеводородов парафинового ряда - метана, этана, пропана, буганов. Иногда в небольших количествах в газах содержатся пентаны, а также пары гексана. В состав газов входят, как правило, и неуглеводородные компоненты - азот, диоксид углерода, пары воды. В газах некоторых месторождений содержатся гелий, неон, аргон, водород.

Газовые гидраты (кристаллогидраты) — соединения газов (большинство га­ зов, кроме гелия, водорода и н-бутана) с водой, образуемые при опре­ деленных термобарических условиях. По внешнему виду напоминают снег или рыхлый лед.

Газовый фактор — количество газа (м3), содержащееся в 1000 кг нефти. Гетероатомы — все другие атомы (кроме атома углерода), входящие в со­

став кольца гетероциклических соединений.

Гетероциклические соединения — обширный класс органических соедине­ ний с циклическим (кольцевым) строением, в состав цикла которых входят атомы не только углерода, но и других элементов (азота, кисло­ рода, серы и др.).

Графен (от англ, graphene) — слой углерода толщиной в один атом, отде­ лённый от кристалла графита и лежащий в одной плоскости.

Графит — минерал, наиболее распространенная и устойчивая в земной коре полиморфная гексагональная модификация углерода со слоистой структурой.

Графит искусственный — углеродный материал, прошедший термическую обработку до температуры выше начала образования кристаллической структуры. Эта температура изменяется в широких пределах, в зависи­ мости от способности углеродного материала трёхмерно упорядочи­ вать свою структуру.

Графитация — высокотемпературная обработка углеродных материалов при температуре выше 1800 °С, при которой происходит термическое пре­ вращение (упорядочение) углеродных материалов в состояние, при­ ближенное к идеальной структуре кристаллического графита.

Графнтируемость — свойство углеродного материала приобретать структу­ ру графита при воздействии высокой температуры.

Грэфайн, графин (англ, graphines) — смешанная аллотропная модификация углерода, состоящая из плоских молекулярных листов с атомами угле­ рода sp- и ^-гибридизации.

Гудрон (франц. goudron) — вязкий черный смолистый остаток после отгонки из нефти бензиновых, керосиновых и основной массы масляных фрак­ ций; сырьё для получения битумов.

Диагенез — совокупность процессов преобразования рыхлых осадков в оса­ дочные горные породы в верхней зоне земной коры.

Диспергирование (от лат. dispergo - рассеиваю) — тонкое измельчение твердого тела или жидкости, в результате которого образуются дис­ персные системы; порошки, суспензии, эмульсии, аэрозоли.

Дистилляция (от лат. distillatio - отекание каплями), перегонка—разделение мно­ гокомпонентных жидких смесей на отличающиеся по составу фракции; ос­ новано на различии в составахжидкости и образующегося из неё пара.

Дгорсн (от лат. durus - твердый) — плотная матовая составная часть иско­ паемого угля, залегает слоями в его пластах.

Изотропия — независимость свойств физических объектов от направления. Характерна для жидкостей, газов и аморфных состояний твердых тел.

Искусственные углеродные материалы — все углеродные материалы, по­ лученные термической обработкой органических веществ. В зависимо­ сти от конечной температуры обработки и способности материала упо­ рядочивать свою структуру, различаются карбонизованные углеродные материалы и графитированные.

Канцерогены — химические соединения, увеличивающие частоту возник­ новения злокачественных опухолей.

Карбены — вещества нерастворимые в бензоле, но растворимые в сероугле­ роде или в смеси антраценового масла с пиридином (а2-фракция).

Карбин — аллотропная форма углерода на основе jp-гибридизации его атомов.

Карбонды («-фракция) — вещества связующего (смолы, нефтяного или ка­ менноугольного пека) нерастворимые в бензоле; они в свою очередь делятся на растворимые и нерастворимые в смеси антраценового масла с пиридином (карбены и кокс, называемый а/-фракцией пека).

Карбонизация — стадия технологического процесса получения углеродных материалов, при которой исходный углеродсодержащий материал под­ вергается обработке в инертной среде при температурах нагрева до 1000-1500 °С, в результате чего из материала удаляются продукты пи­ ролиза и в нём остаётся углерод.

Карбонизованный углеродный материал — углеродный материал, про­ шедший термообработку до температуры начала графитации и обла­ дающий комбинацией (или преобладающей долей одной из состав­

216 Основные термины

ляющих): турбостратной структуры, аморфного углерода и надатомных образований высшего порядка.

Катагенез — стадия химико-минералогического преобразования осадочных горных пород после их возникновения в результате диагенеза и до пре­ вращения их в метаморфические горные породы.

Каустобиолиты (от греч. kaustos - горючий, био... и греч. lithos - камень) — горючие полезные ископаемые органического происхождения.

Кероген — сложное высокомолекулярное вещество, образованное из эле­ ментов алифатической, эпициклической и ароматической природы, входит в состав сланцев.

Кларен (от лат. clarus - блестящий) — полублестящая хрупкая составная часть ископаемого угля, состоящая из гелифицированных, липоидных микрокомпонентов; залегает полосами в пластах, иногда нацело слага­ ет пласты угля.

Кокс (от англ, соке) — твёрдый углеродный остаток термического разложе­ ния органических веществ, независимо от их агрегатного состояния.

Композиционный материал (композит) — сложный материал на основе двух или более компонентов: наполнителя (инертного или армирующе­ го) и совместимого с ним связующего (матрицы); композиты подразде­ ляются на классы в соответствии с формой и природой компонентов.

Конденсат газовый (газоконденсат) — смесь жидких углеводородов С5Н|2+,ысшие. выделяющаяся из природных газов при эксплуатации газо­ конденсатных залежей в результате снижения пластовых давлений (ниже давления начала конденсации) и температуры.

Конформации (от лат. conformatio - форма, расположение) — различные пространственные формы, принимаемые молекулами в результате сво­ бодного вращения отдельных фрагментов вокруг простых связей, изги­ ба связей, происходящие при сохранении неизменными порядка хими­ ческой связи атомов (химического строения), длины связей и валент­ ных углов. Конформацией молекулы называется такое распределение, которое может непрерывным или дискретным образом меняться без химических реакций.

Крекинг — способ термической переработки нефти и нефтяных продуктов, основанный на расщеплении углеводородов, происходящий при нагре­ вании в сочетании с повышенным давлением (при использовании ката­ лизаторов осуществляют каталитический крекинг).

Кристаллиты — мелкие монокристаллы, не имеющие ясно выраженной ог­ ранки. Из кристаллитов, т.е. агрегатов хаотически ориентированных мелких кристалликов разного размера и неправильной формы, состоит

множество природных и синтетических поликристаллических веществ - минералов, разнообразных химических соединений, металлов и сплавов ИТ.Д.

Критическое состояние вещества — предельное состояние равновесия двухфазных систем, в котором обе сосуществующие фазы становятся тождественными по своим свойствам.

М альтены (у-фракция) — вещества связующего, растворимые в петролейном эфире, бензине, бензоле, декалине.

Материалы па основе углерода — в отличие от углеродных состоят из уг­ лерода и неорганических веществ (металлов, карбидов, солей), которые вводятся в шихту или углеродную основу путем пропитки. К этим ма­ териалам относятся отдельные типы антифрикционных материалов, в которых углеродная основа пропитана цветными металлами или их сплавами, не взаимодействующими с углеродом; силицированный гра­ фит, в котором углеродная основа взаимодействует с кремнием, в ре­ зультате чего конечный материал содержит углерод, кремний, карбид кремния и его окислы в различных соотношениях.

Мацералы (лат. тасегаге - размягчать). — микрокомпоненты углей. Мез(о)... — первая составная часть сложных слов, обозначающая умеренную

величину или промежуточное положение между двумя явлениями по времени или в пространстве.

Мезофаза — это жидкокристаллическое состояние, промежуточное между кристаллическим состоянием и жидкостью, при отсутствии трёхмерно­ го порядка в расположении частиц (атомов и молекул).

Металлоцены — металлоорганические соединения, в молекулах которых два циклопентадиена связаны с находящимся между ними атомом или ионом переходного металла.

Метаморфизм — процесс существенного изменения текстуры, структуры и минерального состава горных пород под воздействием температуры, давления и химической активности глубинных растворов (флюидов).

Микрокластер — замкнутая и полая внутри молекулярная структура из атомов.

Морфология — наука о формах и строении веществ.

Нанотехнологии — синтез новых материалов технологическими приёмами, выполняемыми на молекулярном уровне.

Наиотрубки — протяженные цилиндрические наноструктуры, образующие­ ся при испарении графита в среде гелия.

Наночастнцы — структуры из замкнутых, вложенных друг в друга оболо­ чек, образующиеся при испарении графита.

218 Основные термины

Нативный — находящийся в природном состоянии, не модифицированный, сохранивший структуру, присущую ему в живой клетке (например, на­ тивная кость).

Нафтены (от греч. naphtha - нефть) — насыщенные эпициклические углево­ дороды, содержащиеся главным образом в нефти.

Нефть (от греч. naphtha) — горючая маслянистая жидкость, распространен­ ная в осадочной оболочке Земли; важнейшее полезное ископаемое.

Нефтяные дисперсные системы — дисперсные системы, состоящие из множества частиц какого-либо тела (дисперсная фаза), распределенных в однородной среде (дисперсионной среде). Характеризуются сильно развитой поверхностью раздела между фазами.

Олигомеры — полимеры сравнительно небольшой молекулярной массы. К олигомерам относятся многие синтетические смолы: фенолформальде­ гидные, эпоксидные, полиэфирные и др., а также некоторые природные вещества, например, гормон окситоцин, антибиотики.

Отверждение — изменение структурно-механических свойств смолы в ре­ зультате химических реакций, происходящих под влиянием конденса­ ционных процессов или присадок; при этом жидкие продукты необра­ тимо превращаются в твёрдые.нерастворимые неплавкие пространст­ венные полимерные материалы.

Относительная концентрация — показатель, который может быть выра­ жен, в частности, количеством частей примеси на миллион частей ос­ новного компонента смеси - ppm (parts per million).

Пек (от голл. рек - смола) — твёрдое или вязкое аморфное вещество чёрного цвета, являющееся остатком от перегонки нефти, каменного или бурого углей.

Пиролиз (от греч. руг - огонь и lysis - разложение, распад) — высокотемпе­ ратурное превращение органических соединений, сопровождающееся их разрушением и вторичными процессами.

Пнроуглерод и сажа — коксы, полученные при нагреве органических ве­ ществ в газовой фазе.

Полимер — химическое соединение природного или синтетического проис­ хождения с большой молекулярной массой, образованное ковалентным связыванием большого числа простых молекул (звеньев) без сущест­ венного изменения их химической структуры. Полимеры могут быть образованы при взаимодействии органических, элементоорганических, а также неорганических мономеров; некоторые полимеры - твёрдые вещества, другие являются эластомерами; при включении в цепь двух или более видов мономеров продукт называют сополимером.

Полимеризация — химическая реакция, в которой молекулы мономера со­ единяются для образования больших молекул; молекулярная масса по­ лимера в целое число раз выше молекулярной массы исходного веще­ ства; если в реакцию включаются два или более видов мономеров, то процесс называется сополимеризацией.

Полимеризация конденсационная — химическая реакция, в которой две или более молекулы соединяются с выделением воды или какой-либо другой простой молекулы; если в результате реакции образуется поли­ мер, то процесс называется поликонденсацией.

Полифуллерен — полимерный материал, в котором молекулы Qo связаны между собой не ван-дер-ваальсовыми силами, как в кристалле фуллерита, а химическим взаимодействием.

Пористость — отношение объёма пор и пустот, содержащихся в объёме ма­ териала, к общему объёму материала, выраженное в процентах.

Природные углеродные материалы — материалы природного происхож­ дения: антрацит, графит и некоторые марки углей высокой степени ме­ таморфизма.

Проницаемость — способность материала пропускать сквозь себя газы, па­ ры, жидкости без существенного изменения своих физико-химических свойств; диффузия, медленное проникновение (или скорость прохож­ дения) газа, паров или жидкостей через материал без физического или химического воздействия на него.

Радикалы свободные — химические частицы, которые образуются при от­ щеплении атомов или атомных групп от молекул химических соедине­ ний, главным образом органических, и обладают высокой химической активностью, обусловленной наличием свободных валентностей.

Разложение термическое — разложение в результате воздействия тепла; происходит при температуре, при которой некоторые компоненты ма­ териала разлагаются или реагируют с изменением макро- и микро­ структуры композита.

Сажа (технический углерод) — см. Пнроуглерод и сажа.

Синтез-газ — смесь монооксида углерода (40-60%) и водорода (30-50%). Получают конверсией природного горючего газа с водяным паром и кислородом, а также газификацией топлив. Сырье в производстве угле­ водородов, метилового спирта и др.

Сланцы — метаморфические горные породы, характеризующиеся ориенти­ рованным расположением породообразующих минералов и способно­ стью раскалываться на тонкие пластины.

Смола — в армированных пластмассах материал (часто в виде смеси), ис­ пользуемый для связывания армирующего материала; большинство смол являются полимерами с достаточно высокой молекулярной массой.

Сополимер — макромолекула, образуемая при реакции двух или более раз­ нородных мономеров; чередование звеньев в макромолекуле может быть правильным (регулярным) или случайным (статистическим).

Степень графитации — величина, выражающая в относительных единицах степень приближения структуры данного материала к идеальной струк­ туре 1рафита.

Теплота сгорания — количество тепла, выделяемое при полном сгорании 1 м3 газа, измеряется в кКал/м3, кДж/м3. Теплота сгорания, при которой учитывается затраченное тепло на конденсацию водяных паров, нахо­ дящихся в дымовых газах, называется высшей, а низшей - при которой это тепло в расчет не берется.

Трибология (от греч. tribos - трение и logos - слово, учение) — научная дис­ циплина, изучающая трение и износ узлов машин и механизмов в при­ сутствии смазочных материалов.

Турбосгратная структура — сильно разориентированная слоистая структу­ ра, состоящая из приблизительно параллельных плоскостей, однако случайно повернутых относительно своей нормали.

Углеродный материал — твёрдый материал, который состоит в основном из углерода, имеющего графитовую или графитоподобную структуру различной степени совершенства.

Уголь — твердое горючие полезное ископаемое осадочного происхожде­ ния, состоящее из органического вещества, минеральных примесей и влаги.

Фазовое равновесие — один из основных случаев термодинамического рав­ новесия, который предполагает одновременное существование термо­ динамически равновесных фаз в гетерогенной системе.

Флуктуация (от sm.fluctuatio - колебание) — непредсказуемые отклонения физических величин от их нормальных, средних значений, происходя­ щие у любых величин, зависящих от каких-либо случайных факторов; т.е. флуктуации характерны для любых случайных процессов.

Фракции нефти — различные оп составу части нефти, выделяющиеся в процессе её дистилляции.

Фугитнвность — термодинамическая величина, служащая для описания свойств реальных газовых смесей. Позволяет применять уравнения, выражающие зависимость химического потенциала идеального газа от