Основы технологии производства углеродных материалов. Лабораторный практикум

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К а ф е д р а «Химическая технология переработки нефти и газа»

Е.О. ЖИЛКИНА, Ю.В. ЕРЕМИНА, А.С. КОКЛЮХИН

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Лабораторный практикум

Самара Самарский государственный технический университет

2020

1

Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного технического университета (протокол № 8 от 28.03.2019 г.)

УДК 661.(076.5) ББК 35.11я73 Ж72

Жилкина Е.О.

Основы технологии производства углеродных материалов: лаборатор-

ный практикум / Е.О. Жилкина, Ю.В. Еремина, А.С. Коклюхин. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2020. – 54 с.: ил.

В работе использованы материалы С.Н. Овсянникова

Приведены лабораторные методы исследования углеродных материалов. Кратко изложены теоретические основы химического строения и свойств нефтяного кокса и технического углерода. Описаны лабораторные установки, даны рекомендации по выполнению анализов и обработке полученных результатов. В разделе «Приложения» приведены основные физико-химические характеристики марок нефтяного кокса и технического углерода по ГОСТ, а также правила работы с муфельной печью и аналитическими весами.

Лабораторный практикум подготовлен в соответствии с рабочей программой дисциплины «Основы технологии производства углеродных материалов» для студентов дневной формы обучения по направлению 18.03.01 Химическая технология («Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»). Лабораторный практикум будет также полезен студентам заочной формы обучения по направлению18.03.01 («Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов») и направлению 18.04.01 Химическая технология (профиль «Интенсификация процессов нефтепереработки и нефтехимии»).

Рецензент: канд. хим. наук Н.М. Максимов

УДК 661.(076.5) ББК 35.11я73 Ж72

Ó Е.О. Жилкина, Ю.В. Еремина, А.С. Коклюхин, 2020

Ó Самарский государственный технический университет, 2020

2

ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА

Целью лабораторного практикума по дисциплине«Основы технологии производства углеродных материалов» является закрепление теоретических знаний о физико-химических свойствах нефтяного кокса и технического углерода и приобретение навыков исследования углеродных материалов.

Лабораторный практикум «Производство углеродных материалов» разработан в соответствии с программой дисциплины«Основы технологии производства углеродных материалов» на основе действующих стандартов на методы испытания нефтяного кокса и технического углерода.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

При выполнении лабораторной работы студент должен:

-Получить у преподавателя задание к лабораторной работе: наименование работы, исходный нефтепродукт и условия эксперимента.

-Изучить последовательность выполнения работы: исходный нефтепродукт, условия и место хранения, устройство прибора (установки) и порядок его эксплуатации (включения и выключения) и осо-

бенности техники безопасности на рабочем месте.

-Получить у преподавателя допуск (разрешение) на выполнение лабораторной работы.

-Выполнить лабораторную работу, показать результаты эксперимента преподавателю и с его разрешения утилизировать использованные нефтепродукты и реактивы.

-Навести порядок на рабочем месте.

При выполнении лабораторного практикума необходимо вести рабочую тетрадь, в которую следует записывать все измерения и

3

наблюдения, все цифры сопровождать пояснительным текстом. Рабочую тетрадь использовать при составлении отчета.

Отчет по выполненной работе должен иметь следующую структуру:

-дата выполнения и название лабораторной работы;

-цель лабораторной работы;

-теоретическая часть;

-последовательность выполнения лабораторной работы;

-практическая часть лабораторной работы(результаты измерений, графики, расчеты);

-выводы по результатам работы.

Вразделе «Теоретическая часть» необходимо привести краткие теоретические сведения о влиянии рассматриваемого показателя качества или условий проведения исследования на физико-химические

иэксплуатационные свойства товарного углеродного материала. Раздел «Последовательность выполнения лабораторной работы»

включает описание основных этапов проведения лабораторных -ис следований, выполняемых студентами.

Вразделе «Практическая часть лабораторной работы» необходимо представить производимые при выполнении работы расчеты, привести используемые формулы, полученные графические зависимости, зарисовать лабораторный прибор, с помощью которого проводились испытания.

Впоследнем разделе «Выводы по результатам работы» сравниваются экспериментальные данные, полученные при исследовании образца углеродного материала, с показателями качества, нормируемыми ГОСТ, и делаются выводы о дальнейших путях применения данного нефтепродукта (см. приложения 1,2).

4

ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТВЕРДЫХ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Нефтяной кокс и технический углерод обладают комплексом физи- ко-химических и физико-механических свойств, обеспечивающих их потребительские свойства и определяющих области применения.

Технический анализ твердых топлив и углеродсодержащих материалов (углей, коксов, технического углерода и т. д.) включает в себя определение содержания влаги, золы, выхода летучих веществ и общего содержания серы. Результаты технического анализа дают первое представление о составе углеродных материалов и их практической ценности.

остатков. Его получают при термических превращениях (коксовании) гудронов, тяжелых продуктов пиролиза, крекинг-остатков и т.д. В коксе содержатся все элементы, входящие в состав исходного сырья, но в других количественных соотношениях и в новых структурных формах. Кокс не является чистым углеродом, а состоит в основном из высокомолекулярных тугоплавких соединений-продуктов сложной конденсации и уплотнения– карбоидов. Кроме углерода в состав нефтяного кокса входят водород, кислород, азот, некоторые металлы и другие элементы. Усредненный элементный состав кокса можно представить следующим образом: 90–97 % масс. углерода, 1,5– 8 % масс. водорода, остальное до 100 % масс. – азот, сера, кислород и металлы.

В основе структуры нефтяного кокса лежит гексагональная сетка атомов углерода, подобная монослоям графита. Можно говорить о наличии в коксе двух составляющих: продуктов высокой степени конденсации (графитоподобных кристаллов) и укладываемых между ними в процессе деструкции продуктов низкой степени конденсации, содержащих в боковых цепях различные функциональные группы

5

Основными физико-химическими показателями, характеризующими качество коксов и определяющими их применение, являются: зольность, содержание серы, выход летучих веществ, истинная плотность после прокаливания при 1300 0C. К нормируемым показателям относятся также содержание влаги и механическая прочность(истираемость) [1,2].

Технический углерод или сажа– это твердый порошкообразный полидисперсный углеродный материал, получаемый при неполном сгорании или термическом разложении различного жидкого или -га зообразного углеводородного сырья.

Отдельные частицы технического углерода близки к сферической форме и имеют малые размеры – от 90 до 6000 ангстрем. Частицы объединены в сажевые цепочки, которые образуют сажевые структуры. Чем больше разветвление цепочки, тем более структурирована сажа. Сажевая частица состоит из кристаллической и аморфной части и, следовательно, по степени упорядоченности строения занимает

промежуточное положение между кристаллическим графитом и аморфным углеродом. Величина частиц, удельная поверхность и степень структурности (т.е. разветвленность цепочек технического углерода) зависят от условий его образования.

Усредненный элементный состав технического углерода можно

ры, содержание минеральных веществ достигает 0,5 % масс.

В качестве примесей в техническом углероде можно обнаружить адсорбированные газы (азот, кислород, водород, оксиды углерода и серы), остатки неразложившихся до конца углеводородов, влагу, различные минеральные примеси [3].

При анализе технического углерода определяют содержание влаги, выход летучих, содержание золы, масляное число и удельную по-

весах для проб с массой около 10 г с точностью до 0,001 г, а с массой 1–2 г – с точностью до 0,0002 г (правила работы с аналитическими весами приведены в приложении 3). При взятии навески для анализа следует тщательно перемешать пробу углеродного материала в банке, отбор навески производить из двух-трех мест на разной глубине.

Для получения сопоставимых результатов в различных лабораториях методы технического анализа строго регламентированы соответствующими ГОСТами. Все определения производят с двумя навесками. При получении результатов, расходящихся в большей степени, чем допускается нормами, производят третье определение.

За результат анализа принимают среднее арифметическое из двух ближайших измерений, но в пределах допустимых расхождений.

7

Лабораторная работа № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ

Содержание влаги в твердом топливе или углеродном материале в основном зависит от его вида, структуры, условий получения и лишь отчасти – от условий транспортировки, хранения, а для ископаемых твердых топлив – и от условий залегания.

Обычно влага в твердом топливе или углеродном материале -яв ляется балластом или даже приносит вред. Она ускоряет окисление, способствует смерзанию, снижает механическую прочность, в случае кокса существенно влияет на насыпную плотность.

Влага в твердых топливах и углеродных материалах подразделяется на внешнюю(Wвнешн.), гигроскопическую (Wвнутр.) и химически связанную (Wхим.) (конституционную).

Под внешней влагой подразумевается влага, удаляемая при выдержке образца на воздухе или в сушильном шкафу при температуре 50±5 0C. Она представляет собой тонкую пленку воды, покрывающую отдельные частицы углеродного материала. Внешняя влага не зависит от природы углеродного материала.

Гигроскопическая влага – это влага, поглощаемая углеродным материалом из окружающего воздуха до достижения равновесия между упругостью паров воды в окружающем воздухе и упругостью паров воды над поверхностью материала. Она зависит от относительной влажности и температуры окружающего воздуха, также от структуры и химического строения углеродного материала, определяющих его адсорбционные свойства.

Химически связанная влага входит непосредственно в состав углеродного материала и минеральных примесей, содержащихся в нем, например, как кристаллизационная вода.

Количество связанной влаги при данной температуре зависит от удельной поверхности углеродного материала. Связанная влага по физико-химическим свойствам существенно отличается от свободной. Она замерзает при более низких температурах, имеет меньшую

8

теплоемкость (приблизительно 1,21 кДж/(кг∙ 0С)) и в несколько раз меньшее поверхностное натяжение.

Наиболее прочно связан с углеродным материалом мономолекулярный слой влаги. Последующие слои по свойствам постепенно приближаются к обычной свободной жидкости.

Для удаления адсорбционно связанной влаги необходимо затратить энергию на отрыв ее молекулы от поверхности углеродного ма-

где R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль∙К); Т – температура, К; φ – относительная влажность воздуха в долях от единицы [4,5].

Аналитические пробы углеродсодержащих материалов содержат в основном лишь гигроскопическую влагу. Влага пробы, подготовленной для проведения анализов, называется аналитической влагой (Wа.), и обычно на практике для характеристики влажности углеродного материала используют именно эту величину.

Все методы определения содержания влаги делятся на прямые и косвенные. Прямое определение содержания влаги можно производить весовым и объемным методом.

По первому методу навеска топлива высушивается в токе инертного газа, а выделяющиеся пары воды поглощаются хлористым кальцием или серной кислотой. Увеличение веса поглотителя соответствует содержанию влаги в аналитической пробе твердого углеродного материала. Этот метод достаточно точен даже для маловлажных материалов, но является относительно сложным.

Определение содержания влаги объемным методом заключается в отгонке воды в присутствии какой-либо органической жидкости, кипящей выше 100 0C и не смешивающейся с водой (толуол, ксилол и т. д.), которая затем собирается в мерный сосуд, где определяется ее объем.

В косвенных методах содержание влаги определяется по убыли массы навески при ее сушке. Точность определения здесь несколько

9

меньше, чем при прямых методах, т.к. при сушке наряду с испарением влаги выделяются и адсорбированные газы. Кроме того, непосредственный контакт углеродсодержащего материала с кислородом воздуха приводит к его частичному окислению, что может даже иногда сопровождаться увеличением массы анализируемой пробы. В то же время при сушке удаляется далеко не вся влага, входящая в состав минеральных примесей. Так, например, глина, входящая в состав минеральной части углеродных материалов, содержит до 14 % так называемой кристаллогидратной влаги, которая выделяется лишь при сильном прокаливании.

Таким образом, косвенные методы определения влажности не могут быть использованы для исследований углеродных материалов. Однако они значительно проще, являются достаточно точными для целей технического анализа и поэтому широко применяются в лабораториях.

Стандартный метод определения содержания влаги в аналитических пробах углеродсодержащих материалов заключается в высушивании навески материала при 105–110 0C до постоянной массы [6].

Порядок проведения анализа

1.В предварительно высушенные и взвешенные вместе с крышками бюксы поместите навески углеродного материала около2 г (толщина слоя не должна превышать 5–6 мм).

2.Бюксы с навесками установите в предварительно нагретый

сушильный шкаф и сушите при температуре105–110 0С в течение 1,5 ч. При этом бюксы должны быть полуоткрытыми.

3.Затем бюксы закройте крышками, охладите их в эксикаторе и взвесьте.

4.Вновь поместите бюксы в сушильный шкаф и проведите контрольное просушивание в течение 30 мин. Если убыль в массе значительная, то продолжайте просушивание до тех пор, пока она не станет менее 0,001 г или до увеличения веса, которое возможно в результате

10