Основы технологии производства углеродных материалов. Лабораторный практикум

окисления углеродного материала. В этом случае для расчетов принимают результат предпоследнего взвешивания.

5. Содержание влаги выражается= в100% и определяйте по формуле

,

где a – исходная масса пробы, г;

b – масса высушенной пробы, г.

Вычисления производятся с точностью до0,01 %. Расхождения между параллельными определениями допускаются не более 3 %. Если расхождения превышают допустимые, производят третье дополнительное определение, а среднее значение берется из двух ближайших результатов с допустимым расхождением.

Сушильный шкаф, используемый при проведении анализа, изображен на рис. 1.

Рис. 1. Сушильный шкаф:

1 – сушильный шкаф; 2 – бюкс с притертой крышкой

Контрольные вопросы

1.Дать определение нефтяного кокса. Элементный состав нефтяного кокса и показатели его качества.

2.Дать определение технического углерода. Элементный состав технического углерода и показатели его качества.

11

3.Как влияет влага на качество твердых углеродных материалов?

4.Какие виды влаги содержатся в твердых углеродных материалах? От чего зависит содержание различных видов влаги?

5.По какой формуле определяется энергия, необходимая для разрыва связи между молекулой воды и поверхностью углеродного материала?

6.Методы определения содержания влаги в твердых углеродных материалах.

7.В чем заключается стандартный метод определения содержания влаги в аналитических пробах углеродсодержащих материалов?

8.Преимущества и недостатки прямых и косвенных методов определения влажности.

9.По какой формуле вычисляется содержание влаги?

10.Какие расхождения допускаются между параллельными определениями?

12

Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ЗОЛЫ

Золой называется смесь минеральных веществ, остающаяся после полного сгорания всех горючих веществ углеродсодержащих материалов и завершения всех превращений, которые происходят с минеральными примесями и металлорганическими соединениями под действием высоких температур и доступа воздуха.

Содержание металлорганических соединений в коксе примерно пропорционально зольности исходной нефти. Зола является нежелательной примесью в твердых углеродсодержащих материалах и, аналогично влаге, причисляется к балласту. Поэтому содержание золы в различных углеродных материалах обычно регламентируется ГОСТ. Следует отметить некоторую условность термина«содержание золы», т.к. зола не содержится в топливе, а образуется при его сгорании из минеральных примесей, которые, переходя в золу, претерпевают ряд изменений. Так, например, карбонаты и силикаты теряют кристаллизационную воду, карбонаты разлагаются с образованием диоксида углерода, хлориды щелочных металлов частично улетучиваются.

Количество и состав золы в нефтяных коксах обусловливаются качеством сырья, способом коксования, коррозийной стойкостью аппаратуры и оборудования, а также содержанием солей в воде, используемой для удаления кокса из реакторов. Более высокое содержание золы в сернистом коксе по сравнению с малосернистым следует объяснять не только большей концентрацией металлорганических соединений в исходном сырье, но и повышенным коррозийным воздействием сернистых соединений на оборудование.

Наличие минеральных примесей в коксе приобретает особое значение в случае применения его для алюминиевого производства, .к. эти примеси, переходя в алюминий, снижают его электропроводность.

Содержание золы в техническом углероде связано с содержанием минеральных примесей в сырье, но главным образом – в технической воде, идущей на охлаждение сажи.

13

Продукты коррозии аппаратуры и другие примеси часто изменяют количество элементов в золе. Вопреки обычному порядку на первых местах чаще всего находятся железо, кремний, алюминий и иногда натрий. Следовательно, количество и состав золы никогда не бывают идентичными содержавшимся в углеродсодержащем материале минеральным веществам и не дает правильного представления о составе и количестве минеральных примесей. Исследование же истинного содержания и состава минеральных примесей представляет собой очень сложную задачу [5,7].

Определение зольности твердых углеродсодержащих материалов заключается в медленном сжигании навески при свободном доступе воздуха и прокаливании зольного остатка.

Общепринятыми методами являются методы медленного и быстрого озоления. В обоих методах навески углеродсодержащего материала вначале нагревают медленно, т.к. быстрый нагрев может привести к бурному выделению летучих веществ и механическому уносу вместе с ними мелких частиц материала [8].

Порядок проведения анализа. Метод медленного озоления

1.В предварительно прокаленные фарфоровые тигли или лодочки поместите навески углеродного материала массой 1,5–2,0 г.

2.Установите тигли или лодочки в муфельную печь, предварительно нагретую до 350–400 0С, так, чтобы они размещались в зоне устойчивой температуры.

3.В течение 1–1,5 ч доведите температуру в муфельной печи до 800±25 0С (скорость нагрева 6–7 0С/мин) и выдержите при этой температуре в течение 1,5–2,0 ч.

4.Выньте тигли или лодочки из муфельной печи, охладите в эксикаторе и взвесьте.

5.Проведите контрольные прокаливания в течение 30 мин до тех пор, пока убыль в массе зольных остатков не будет менее 0,001 г.

14

6. Зольность аналитической пробы твердого углеродсодержащего материала рассчитайте по формуле

Aa = G1 -G2 ´100, g

где G1 – масса тигля с золой после прокаливания, г;

G2 – масса пустого тигля, доведенного до постоянной массы, г; g – масса навески испытуемого углеродсодержащего материала, г. Обычно зольность выражается по формуле

где Ac – зольность абсолютно сухого материала, %; Wa – содержание влаги в аналитической пробе, %.

Порядок проведения анализа. Метод быстрого озоления

1.Муфельную печь разогрейте до температуры825–850 0С и на край печи поместите керамическую или металлическую пластинку с установленными на ней тиглями или лодочками с навеской исследуемого материала (1,5–2,0 г).

2.После 10-минутной выдержки пластинку постепенно со скоростью 1 см/мин вдвигайте в зону устойчивой температуры.

3.Муфельную печь закройте и выдерживайте образцы при температуре 800±25 0С в течение 40–50 мин.

Далее ход определения тот же, что и в предыдущем методе медленного озоления.

Допустимые расхождения между результатами двух параллельных определений зольности одной аналитической пробы составляют:

для материалов с зольностью до 12 % – 0,2 %; для материалов с зольностью выше 12 % – 0,3 %; для технического углерода – 5,0 % отн.

15

Контрольные вопросы

1.Дать определение понятия «зола».

2.Почему в углеродных материалах содержание золы регламентируется ГОСТ?

3.Почему термин «содержание золы» носит условный характер?

4.Источники золы в нефтяном коксе и техническом углероде.

5.Как влияет содержание золы на качество твердых углеродных материалов?

6.В чем заключается определение содержания золы?

7.Какие существуют методы определения зольности? В чем различие данных методов?

8.Каковы допустимые расхождения между результатами определения?

9.По какой формуле вычисляется определение золы?

16

Лабораторная работа №3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДА ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ

Определение выхода летучих веществ является одним из важных анализов, характеризующих термическую стойкость твердых углеродных материалов. Особенно важен этот показатель для коксов. Летучими веществами в коксе являются недококсованные, т.е. еще не перешедшие в карбоидное состояние остатки сырья. Содержащиеся в нефтяном коксе летучие вещества и их удаление в процессе прокаливания оказывают решающее влияние на формирование структуры и показатели качества прокаленного кокса. Содержание летучих ограничивается из-за того, что они являются балластом при перевозке и прокаливании кокса. Они могут вызвать перегрев кокса при прокаливании и ухудшить материальный баланс процесса прокаливания. Содержание летучих веществ в коксе зависит от физико-химических характеристик исходного сырья, однако определяющее значение в их содержание имеют технологические параметры ведения процесса. Снижению содержания летучих веществ в коксе способствуют - по вышение температуры на входе и наверху камеры коксования, увеличение цикла коксования и коэффициента рециркуляции, снижение давления в камере коксования и уменьшение количества подаваемого в печь турбулизатора.

Между прочностью кокса и выходом летучих веществ существует обратная взаимосвязь: чем выше прочность кокса, тем меньше в нем летучих веществ. Летучие вещества выделяются из углеродных материалов при их нагревании без доступа воздуха. Состав и количественное содержание летучих в основном зависят от вида углеродсодержащего материала, а также от условий его получения(качество сырья) и условий термического воздействия(т.е. от температуры и длительности нагревания). Поэтому говорят не о содержании летучих, а о выходе летучих при строго определенной температуре и длительности нагревания. Эти условия строго регламентируются соответствующими ГОСТами и зависят от вида углеродного материала. Для твердых горючих ископаемых, коксов и технического углерода принята температура 850 0С и длительность нагревания 7 мин.

17

Выход летучих веществ с учетом испарившейся влаги у твердых горючих ископаемых может достигать 50 %, в нефтяном коксе обычно не превышает 7 % (у отдельных марок кокса, полученных методом замедленного коксования, достигает 10 %), в техническом углероде не превышает 5 %, но у отдельных сортов технического углерода для печатных красок доходит до 12 % масс. [5, 7].

Выход летучих определяют в тигле с хорошо пригнанной крыш-

кой [9].

Порядок проведения анализа

1.В доведенный до постоянной массы и предварительно взвешенный без крышки тигель поместите навеску испытуемого углеродного материала (кокса – 1 г; технического углерода – 2 г) и взвесьте на аналитических весах. Перед взвешиванием образец уплотняется, чтобы уменьшить его окисление при нагревании.

2.Подготовленные тигли закройте крышками и поместите на подставку в предварительно разогретый муфель в зону устойчивой температуры 850 0С. Время выдержки в муфеле– 7 мин. Колебания температуры в печи, контролируемые термопарой, должны закончиться в первые 3 мин. Если в последние 4 мин колебания выходят за пределы температуры 840–850 0С, анализ повторяется.

3.Выньте из муфеля тигли и охладите на воздухе5 мин, не снимая крышки, чтобы не было загорания образца. Затем снимите крышку и поместите в эксикатор. Остывший тигель взвесьте.

4.Наличие черного сажистого налета на внешней поверхности вынутого из муфеля тигля указывает на недостаток воздуха в печи. Опыт при этом бракуется.

5.Выход летучих веществ в расчете на аналитическую пробу рассчитывается по формуле

V a = G1 -G2 ´100 -W a , G1 -G

где Va – выход летучих веществ, % мас.; G – масса пустого тигля, г;

18

G1 – масса тигля с исходным образцом, г;

G2 – масса тигля после нагревания в муфеле, г ;

Wa – содержание влаги в испытуемой аналитической пробе, %. Обычно выход летучих веществ выражают в процентах на услов-

но горячую массу (безводную и беззольную) углеродного материала, рассчитывая по формуле

где Vг – выход летучих веществ на условно горячую массу, % мас.; Wa – содержание влаги в испытуемой аналитической пробе, %; Ac – cодержание золы в анализируемой пробе, %;

Допустимые расхождения между параллельными определениями выхода летучих веществ (Va) следующие:

для кокса и углей – 0,5 %; для технического углерода – 0,3 %.

Муфельная печь, используемая в данном анализе, изображена на рис. 2. Правила работы с муфельной печью представлены в приложении 3.

Рис. 2. Муфельная печь:

1 – муфельная печь; 2 – фарфоровая лодочка; 3 – фарфоровый тигель; 4 – программирующее устройство

19

Контрольные вопросы

1.Какие свойства твердых углеродных материалов характеризует выход летучих?

2.Источники летучих веществ в нефтяных коксах.

3.Почему ограничивается содержание летучих веществ в нефтяных коксах?

4.От чего зависит содержание летучих веществ в нефтяных коксах?

5.Взаимосвязь между «выходом летучих веществ» и другими показателями качества кокса.

6.Что означает термин «выход летучих веществ», почему не говорят о содержании летучих веществ?

7.Условия проведения анализа при определении «выхода летучих веществ».

8.По какой формуле рассчитывается «выход летучих веществ» и в каких единицах выражается?

9.Каковы допустимые расхождения между параллельными определениями выхода летучих веществ?

20