10.2. Сырье для производства технического углерода

Сырьем для производства технического углерода являются:

- жидкие нефтепродукты (иногда в смеси с продуктами каменноугольного происхождения);

- природные и нефтяные газы;

- газовые конденсаты.

Из продуктов нефтепереработки наиболее широко применяются газойли термического крекинга, зеленое масло, экстракты газойлей каталитического крекинга, а из продуктов коксохимии - антраценовое масло, хризеновая фракция и пековый дистиллят. Это сырье представляет из себя углеводородные фракции, выкипающие выше 200 ⁰С и содержащие значительное количество аренов (60-90 % мас.). В нем нормируются следующие показатели: плотность, вязкость, индекс корреляции, показатель преломления, содержание серы, влаги и механических примесей, коксуемость. Сырье для технического углерода, производимое на нефтеперерабатывающих заводах, является весьма дефицитным, так как производится в ограниченном количестве (например, 1-3% мас. на сырье установки каталитического крекинга типа ГК-3/1) и имеются трудности с регулированием его состава и других показателей качества. В настоящее время делается упор на получение сырья для производства технического углерода непосредственно на установках каталитического крекинга при жестком технологическом режиме и использовании цеолитсодержащих катализаторов и с дожигом оксида углерода в диоксид в объеме регенератора.

Другим крупным источником сырья для производства технического углерода являются природные и нефтяные (попутные) газы, а также газовые конденсаты с большим содержанием аренов, ресурсы которых в России и странах СНГ велики.

10.3. Химизм и механизм получения технического углерода

Процесс получения технического углерода (термическое разложение углеводородов с образованием углерода, находящегося в виде твердой фазы) описывается следующим уравнением:

С_nH_m → _nC + (10.3)

Для разложения углеводородов в газовой фазе необходимо тепло в количестве 1,2-4,8 МДж/кг сырья. В промышленности это осуществляется за счет сжигания части газа или другого топлива.

Процесс термического разложения углеводородов можно упрощенно рассматривать следующим образом. Молекулы углеводородов при высокой температуре распадаются на свободные углеводородные радикалы и атомы водорода. Эти радикалы взаимодействуют друг с другом с образованием новых радикалов и молекул термостойких соединений, которые являются основой будущих частиц технического углерода. В зоне реакции образующиеся новые углеводородные радикалы присоединяются к уже существующим радикалам и идет процесс формирования атомов углерода в кристаллические образования, а кристаллов технического углерода – в частицы технического углерода. Повышение температуры процесса и уменьшение времени пребывания частиц технического углерода в зоне реакции приводит к получению более высокодисперсного технического углерода. Использование только природного газа в качестве сырья приводит к получению мелкодисперсного технического углерода удельной поверхностью 12-16 м²/ч. Если сырье состоит из 50 % об. природного газа и 50 % об. отходящих газов производства, состоящих из 90 % об. водорода, то удельная поверхность технического углерода увеличивается до 20 м²/ч.

Скорость образования частиц технического углерода увеличивается, если в газе содержится 1 % кислорода или оксида этилена.

Для процесса горения необходим кислород воздуха. Теоретически необходимое количество воздуха для полного сжигания горючего, применяемого в производстве технического углерода (при 0 ⁰С и 0,1 МПа) составляет: для зеленого масла – 10,5-10,7 м³/кг; для термогазойля – 10,6 м³/кг; экстракта газойля каталитического крекинга – 10,5 м³/кг; нефтяного газа – 9,5 - 10,0 м³/м³; природного газа – 9,0-9,5 м³/м³; газов нефтепереработки – 14,5-16,0 м³/м³. При сжигании жидких горючих веществ для их полного сгорания необходимо подавать на 20-25 % воздуха больше, а при сжигании газообразных веществ – на 5-10 % больше.

При сгорании углеводородов образуется пламя, которое характеризуется тонким (до 0,1 мм) фронтом горения. Кислород внутри пламени отсутствует в случае раздельной подачи углеводородов и воздуха, и внутри пламени происходит термическое разложение углеводородов.

Наряду с техническим углеродом при неполном сгорании образуются двуоксид углерода, оксид углерода, водород, азот, вода и в незначительных количествах метан, сероводород и сероуглерод. При температуре выше 1000 ⁰С протекают реакции:

СО₂ + Н₂ → СО + Н₂О

С + СО₂  2СО (10.4)

С + Н₂О → СО + Н₂

При осаждении технического углерода из пламени на охлажденную поверхность происходит реакция окисления углерода:

2С + О₂  2СО

С + О₂  СО₂ (10.5)

Чтобы исключить побочные реакции, смесь газа и технического углерода на выходе из зоны горения охлаждают водой или вводом охлажденной поверхности.