Τεχνικός άνθρακας, παραγωγή του

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-17 18:46

Το μαύρο άνθρακα (GOST 7885-86) είναι ένας τύπος βιομηχανικών προϊόντων άνθρακα που χρησιμοποιείται κυρίως στην παραγωγή καουτσούκ ως πληρωτικό που ενισχύει τις χρήσιμες ιδιότητες απόδοσης του. Σε αντίθεση με τον οπτάνθρακα και την πίσσα, αποτελείται από σχεδόν έναν άνθρακα, μοιάζει με αιθάλη.

Πεδίο εφαρμογής

Περίπου το 70% της παραγόμενης αιθάλης χρησιμοποιείται για την κατασκευή ελαστικών, το 20% - για την παραγωγή προϊόντων από καουτσούκ. Επίσης, ο τεχνικός άνθρακας χρησιμοποιείται στην παραγωγή χρωμάτων και βερνικιών και στην παραγωγή μελανιών εκτύπωσης, όπου λειτουργεί ως μαύρη χρωστική ουσία.

Ένας άλλος τομέας εφαρμογής είναι η παραγωγή πλαστικών και περιβλημάτων καλωδίων. Εδώ το προϊόν προστίθεται ως πληρωτικό και για να δώσει στα προϊόντα ιδιαίτερες ιδιότητες. Η αιθάλη χρησιμοποιείται επίσης σε μικρές ποσότητες σε άλλες βιομηχανίες.

Χαρακτηριστικό

Η αιθάλη είναι το προϊόν μιας διαδικασίας που ενσωματώνει τις πιο πρόσφατες τεχνικές μηχανικής και ελέγχου. Λόγω της καθαρότητάς του και του αυστηρά καθορισμένου συνόλου τουφυσικές και χημικές ιδιότητες, δεν έχει καμία σχέση με την αιθάλη που παράγεται ως μολυσμένο υποπροϊόν από την καύση άνθρακα και μαζούτ ή από τη λειτουργία μη ρυθμιζόμενων μηχανών εσωτερικής καύσης. Σύμφωνα με τη γενικά αποδεκτή διεθνή ταξινόμηση, η αιθάλη ονομάζεται Carbon Black (μαύρος άνθρακας που μεταφράζεται από τα αγγλικά), η αιθάλη στα αγγλικά είναι αιθάλη. Δηλαδή, αυτές οι έννοιες επί του παρόντος δεν αναμειγνύονται με κανέναν τρόπο.

Η επίδραση του οπλισμού λόγω της πλήρωσης των καουτσούκ με αιθάλη δεν ήταν λιγότερο σημαντική για την ανάπτυξη της βιομηχανίας καουτσούκ από την ανακάλυψη του φαινομένου του βουλκανισμού του καουτσούκ με θείο. Στις ενώσεις καουτσούκ, ο άνθρακας από μεγάλο αριθμό συστατικών που χρησιμοποιούνται κατά βάρος κατέχει τη δεύτερη θέση μετά το καουτσούκ. Η επίδραση των δεικτών ποιότητας της αιθάλης στις ιδιότητες των προϊόντων από καουτσούκ είναι πολύ μεγαλύτερη από τους δείκτες ποιότητας του κύριου συστατικού - του καουτσούκ.

ενισχυτικές ιδιότητες

Η βελτίωση των φυσικών ιδιοτήτων ενός υλικού με την εισαγωγή ενός πληρωτικού καλείται ενίσχυση (ενίσχυση) και τέτοια πληρωτικά ονομάζονται ενισχυτές (μαύρος άνθρακας, οξείδιο του πυριτίου που καταβυθίζεται). Μεταξύ όλων των ενισχυτών, ο τεχνικός άνθρακας έχει πραγματικά μοναδικά χαρακτηριστικά. Ακόμη και πριν από το βουλκανισμό, συνδέεται με το καουτσούκ και αυτό το μείγμα δεν μπορεί να διαχωριστεί πλήρως σε αιθάλη και καουτσούκ με διαλύτες.

Η αντοχή των καουτσούκ με βάση τα πιο σημαντικά ελαστομερή:

Ελαστομερές	αντοχή σε εφελκυσμό, MPa
	Μη γεμισμένο βουλκανισμό	Βουλκανισμός γεμάτο με αιθάλη
Κουτσούκ στυρενίου βουταδιενίου	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Πολυακρυλικό καουτσούκ	2, 1	17, 6
Καουτσούκ πολυβουταδιενίου	5, 6	21, 1

Ο πίνακας δείχνει τις ιδιότητες των βουλκανισμένων προϊόντων που λαμβάνονται από διάφορους τύπους καουτσούκ χωρίς γέμιση και γεμισμένα με αιθάλη. Από τα παραπάνω δεδομένα, μπορεί να φανεί πώς η πλήρωση άνθρακα επηρεάζει σημαντικά την αντοχή σε εφελκυσμό του καουτσούκ. Παρεμπιπτόντως, άλλες διασκορπισμένες σκόνες που χρησιμοποιούνται σε ενώσεις καουτσούκ για να δώσουν το επιθυμητό χρώμα ή να μειώσουν το κόστος του μείγματος - η κιμωλία, ο καολίνης, ο τάλκης, το οξείδιο του σιδήρου και άλλα δεν έχουν ενισχυτικές ιδιότητες.

Δομή

Οι καθαροί φυσικοί άνθρακες είναι τα διαμάντια και ο γραφίτης. Έχουν μια κρυσταλλική δομή που διαφέρει σημαντικά μεταξύ τους. Η ομοιότητα στη δομή του φυσικού γραφίτη και του τεχνητού υλικού αιθάλης καθορίστηκε με περίθλαση ακτίνων Χ. Τα άτομα άνθρακα στον γραφίτη σχηματίζουν μεγάλα στρώματα συμπυκνωμένων συστημάτων αρωματικών δακτυλίων, με διατομική απόσταση 0,142 nm. Αυτά τα στρώματα γραφίτηΤα συμπυκνωμένα αρωματικά συστήματα ονομάζονται βασικά επίπεδα. Η απόσταση μεταξύ των επιπέδων είναι αυστηρά καθορισμένη και είναι 0,335 nm. Όλα τα στρώματα είναι παράλληλα μεταξύ τους. Η πυκνότητα του γραφίτη είναι 2,26 g/cm3.

Σε αντίθεση με τον γραφίτη, ο οποίος έχει τρισδιάστατη τάξη, ο τεχνικός άνθρακας χαρακτηρίζεται μόνο από δισδιάστατη τάξη. Αποτελείται από καλά ανεπτυγμένα επίπεδα γραφίτη, τοποθετημένα περίπου παράλληλα μεταξύ τους, αλλά μετατοπισμένα σε σχέση με γειτονικά στρώματα - δηλαδή, τα επίπεδα είναι αυθαίρετα προσανατολισμένα σε σχέση με το κανονικό.

Η δομή του γραφίτη συγκρίνεται μεταφορικά με μια τακτοποιημένα διπλωμένη τράπουλα και η δομή του μαύρου άνθρακα συγκρίνεται με μια τράπουλα στην οποία μετατοπίζονται τα χαρτιά. Σε αυτό, η διαεπίπεδη απόσταση είναι μεγαλύτερη από αυτή του γραφίτη και είναι 0,350-0,365 nm. Επομένως, η πυκνότητα της αιθάλης είναι μικρότερη από την πυκνότητα του γραφίτη και κυμαίνεται από 1,76-1,9 g/cm³, ανάλογα με τη μάρκα (τις περισσότερες φορές 1,8 g/cm ^3).

Χρωματισμός

Οι χρωστικές (χρωματιστικές) ποιότητες αιθάλης χρησιμοποιούνται στην παραγωγή μελανιών εκτύπωσης, επικαλύψεων, πλαστικών, ινών, χαρτιού και δομικών υλικών. Ταξινομούνται σε:

• υψηλού χρώματος μαύρου άνθρακα (HC);
• μέσο (MS);
• κανονικός χρωματισμός (RC);
• χαμηλό χρώμα (LC).

Το τρίτο γράμμα δείχνει τη μέθοδο λήψης - φούρνος (F) ή κανάλι (C). Παράδειγμα χαρακτηρισμού: HCF - High Color Furnace Black (Hiqh Color Furnace).

Η χρωστική δύναμη ενός προϊόντος σχετίζεται με το μέγεθος των σωματιδίων του. Ανάλογα με το μέγεθός τους, ο τεχνικός άνθρακας χωρίζεται σε ομάδες:

Μέσο μέγεθος σωματιδίων, nm	Κλίβανος μαύρου βαθμού
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Ταξινόμηση

Ο τεχνικός άνθρακας για καουτσούκ ανάλογα με τον βαθμό ενίσχυσης χωρίζεται σε:

• Ιδιαίτερα ενισχυτικό (πέλμα, σκληρό). Διατίθεται με την αυξημένη αντοχή και ανθεκτικότητα στη φθορά. Το μέγεθος των σωματιδίων είναι μικρό (18-30 nm). Χρησιμοποιείται σε μεταφορικούς ιμάντες, πέλματα ελαστικών.
• Ημι-ενισχυτικό (πλαίσιο, μαλακό). Το μέγεθος των σωματιδίων είναι μέσο (40-60 nm). Χρησιμοποιούνται σε διάφορα προϊόντα από καουτσούκ, σφάγια ελαστικών.
• Χαμηλό κέρδος. Το μέγεθος των σωματιδίων είναι μεγάλο (πάνω από 60 nm). Περιορισμένη χρήση στη βιομηχανία ελαστικών. Παρέχει την απαραίτητη αντοχή ενώ διατηρεί υψηλή ελαστικότητα στα προϊόντα από καουτσούκ.

Η πλήρης ταξινόμηση της αιθάλης δίνεται στο ASTM D1765-03, αποδεκτή από όλους τους παγκόσμιους κατασκευαστές και χρήστες προϊόντων. Σε αυτό, η ταξινόμηση, ειδικότερα, πραγματοποιείται σύμφωνα με το εύρος της ειδικής επιφάνειας των σωματιδίων:

Ομάδα	Μέση συγκεκριμένη περιοχήεπιφάνεια με προσρόφηση αζώτου, m2/g
0	>150
1	121-150
2	100-120
3	70-99
4	50-69
5	40-49
6	33-39
7	21-32
8	11-20
9	0-10

Παραγωγή αιθάλης

Υπάρχουν τρεις τεχνολογίες για την παραγωγή βιομηχανικής αιθάλης που χρησιμοποιούν έναν ατελή κύκλο καύσης υδρογονανθράκων:

• φούρνος;
• κανάλι;
• tube;
• πλάσμα.

Υπάρχει επίσης μια θερμική μέθοδος που αποσυνθέτει την ακετυλίνη ή το φυσικό αέριο σε υψηλές θερμοκρασίες.

Πολλαπλές ποιότητες που παράγονται από διαφορετικές τεχνολογίες έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά.

Τεχνολογία παραγωγής

Θεωρητικά, είναι δυνατή η λήψη αιθάλης με όλες τις παραπάνω μεθόδους, ωστόσο, περισσότερο από το 96% του παραγόμενου προϊόντος λαμβάνεται με τη μέθοδο του κλιβάνου από υγρές πρώτες ύλες. Η μέθοδος καθιστά δυνατή τη λήψη διαφόρων ποιοτήτων αιθάλης με ένα συγκεκριμένο σύνολο ιδιοτήτων. Για παράδειγμα, το Omsk Carbon Black Plant παράγει περισσότερες από 20 ποιότητες αιθάλης χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνολογία.

Η γενική τεχνολογία είναι αυτή. Ο αντιδραστήρας, επενδεδυμένος με εξαιρετικά πυρίμαχα υλικά, τροφοδοτείται με φυσικό αέριο και αέρα που θερμαίνεται στους 800°C. Λόγω της καύσης του φυσικού αερίου, σχηματίζονται προϊόντα πλήρους καύσης με θερμοκρασία 1820-1900 ° C, που περιέχουν μια ορισμένη ποσότητα ελεύθερου οξυγόνου. Υγρές πρώτες ύλες υδρογονανθράκων εγχέονται στα προϊόντα πλήρους καύσης υψηλής θερμοκρασίας, αναμειγνύονται επιμελώς εκ των προτέρων και θερμαίνονται στους 200-300 °C. Η πυρόλυση των πρώτων υλών γίνεται σε αυστηρά ελεγχόμενη θερμοκρασία, η οποία, ανάλογα με τη μάρκα της παραγόμενης αιθάλης, έχει διαφορετικές τιμές από 1400 έως 1750 ° C.

Σε ορισμένη απόσταση από τον τόπο προμήθειας των πρώτων υλών, η θερμοοξειδωτική αντίδραση διακόπτεται με την έγχυση νερού. Η αιθάλη και τα αέρια αντίδρασης που σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της πυρόλυσης εισέρχονται στον θερμαντήρα αέρα, όπου εκπέμπουν μέρος της θερμότητάς τους στον αέρα που χρησιμοποιείται στη διαδικασία, ενώ η θερμοκρασία του μίγματος άνθρακα-αερίου μειώνεται από 950-1000 °C σε 500-600 °С.

Μετά την ψύξη στους 260-280 °C λόγω πρόσθετης έγχυσης νερού, το μείγμα αιθάλης και αερίων αποστέλλεται στο φίλτρο σακούλας, όπου η αιθάλη διαχωρίζεται από τα αέρια και εισέρχεται στη χοάνη του φίλτρου. Η διαχωρισμένη αιθάλη από τον κάδο φίλτρου τροφοδοτείται μέσω του αγωγού αερίου από έναν ανεμιστήρα (turbo blower) στο τμήμα κοκκοποίησης.

Παραγωγοί αιθάλης

Η παγκόσμια παραγωγή αιθάλης ξεπερνά τους 10 εκατομμύρια τόνους. Η τόσο μεγάλη ζήτηση για το προϊόν εξηγείται, πρώτα απ 'όλα, από τις μοναδικές ενισχυτικές του ιδιότητες. Οι ατμομηχανές της βιομηχανίας είναι:

• Aditya Birla Group (Ινδία) - περίπου το 15% της αγοράς.
• Cabot Corporation (ΗΠΑ) - 14% της αγοράς.
• Orion Engineered Carbons (Λουξεμβούργο) - 9%.

Μεγαλύτεροι Ρώσοι παραγωγοί άνθρακα:

• Omsktehuglerod LLC – 40% της ρωσικής αγοράς. Εργοστάσια σε Omsk, Volgograd, Mogilev.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.