Węgiel techniczny, jego produkcja

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-17 19:04

Czarna (GOST 7885-86) to rodzaj przemysłowych produktów węglowych stosowanych głównie w produkcji gumy jako wypełniacz, który poprawia jej użyteczne właściwości użytkowe. W przeciwieństwie do koksu i smoły składa się z prawie jednego węgla, wygląda jak sadza.

Zakres zastosowania

Około 70% wyprodukowanej sadzy jest wykorzystywane do produkcji opon, 20% - do produkcji wyrobów gumowych. Węgiel techniczny jest również używany w produkcji farb i lakierów oraz w produkcji farb drukarskich, gdzie pełni rolę czarnego pigmentu.

Kolejnym obszarem zastosowania jest produkcja tworzyw sztucznych i osłon kabli. Tutaj produkt jest dodawany jako wypełniacz i aby nadać produktom specjalne właściwości. Sadza jest również wykorzystywana w niewielkich ilościach w innych gałęziach przemysłu.

Charakterystyka

Czarna sadza jest produktem procesu, który wykorzystuje najnowsze techniki inżynieryjne i kontrolne. Ze względu na swoją czystość i ściśle określony zestawwłaściwości fizykochemicznych, nie ma to nic wspólnego z sadzą, która powstaje jako zanieczyszczony produkt uboczny spalania węgla i oleju opałowego lub pracy nieuregulowanych silników spalinowych. Zgodnie z ogólnie przyjętą klasyfikacją międzynarodową, sadza jest oznaczona jako Carbon Black (czarny węgiel w tłumaczeniu z języka angielskiego), sadza w języku angielskim to sadza. Oznacza to, że te koncepcje nie są obecnie w żaden sposób mieszane.

Efekt wzmocnienia w wyniku wypełnienia gum sadzą był nie mniej ważny dla rozwoju przemysłu gumowego niż odkrycie zjawiska wulkanizacji gumy siarką. W mieszankach gumowych węgiel z wielu składników stosowanych wagowo zajmuje drugie miejsce po gumie. Wpływ wskaźników jakości sadzy na właściwości wyrobów gumowych jest znacznie większy niż wskaźników jakości głównego składnika - gumy.

Właściwości wzmacniające

Poprawa właściwości fizycznych materiału poprzez wprowadzenie wypełniacza nazywamy wzmocnieniem (wzmocnieniem), a takie wypełniacze nazywamy wzmacniaczami (sadza, strącany tlenek krzemu). Spośród wszystkich wzmacniaczy węgiel techniczny ma naprawdę wyjątkowe właściwości. Nawet przed wulkanizacją wiąże się z gumą i tej mieszaniny nie można całkowicie rozdzielić na sadzę i gumę za pomocą rozpuszczalników.

Wytrzymałość gum na bazie najważniejszych elastomerów:

Elastomer	Wytrzymałość na rozciąganie, MPa
	Niewypełniony wulkanizat	Wulkanizacja wypełniona sadzą
Kauczuk butadienowo-styrenowy	3, 5	24, 6
NBR	4, 9	28, 1
EPDM	3, 5	21, 1
Kauczuk poliakrylowy	2, 1	17, 6
Kauczuk polibutadienowy	5, 6	21, 1

Tabela przedstawia właściwości wulkanizatów otrzymanych z różnych rodzajów gumy bez wypełnienia i wypełnionych sadzą. Z powyższych danych widać, jak wypełnienie węglowe znacząco wpływa na wytrzymałość gumy na rozciąganie. Nawiasem mówiąc, inne proszki dyspersyjne stosowane w mieszankach gumowych w celu nadania pożądanego koloru lub obniżenia kosztów mieszanki – kreda, kaolin, talk, tlenek żelaza i inne nie mają właściwości wzmacniających.

Struktura

Czyste naturalne węgle to diamenty i grafit. Mają strukturę krystaliczną, która znacznie różni się od siebie. Podobieństwo w strukturze naturalnego grafitu i sztucznego materiału sadzy ustalono metodą dyfrakcji rentgenowskiej. Atomy węgla w graficie tworzą duże warstwy skondensowanych układów aromatycznych pierścieni, o odległości międzyatomowej 0,142 nm. Te warstwy grafituskondensowane układy aromatyczne nazywane są płaszczyznami podstawowymi. Odległość między płaszczyznami jest ściśle określona i wynosi 0,335 nm. Wszystkie warstwy są do siebie równoległe. Gęstość grafitu wynosi 2,26 g/cm3.

W przeciwieństwie do grafitu, który ma porządek trójwymiarowy, węgiel techniczny charakteryzuje się tylko porządkiem dwuwymiarowym. Składa się z dobrze rozwiniętych płaszczyzn grafitu, położonych w przybliżeniu równolegle do siebie, ale przesuniętych względem sąsiednich warstw - czyli płaszczyzny są zorientowane dowolnie w stosunku do normalnej.

Struktura grafitowa jest porównywana w przenośni do starannie złożonej talii kart, a struktura sadzy jest porównywana do talii kart, w której karty są przesunięte. W nim odległość międzypłaszczyznowa jest większa niż w przypadku grafitu i wynosi 0,350-0,365 nm. Dlatego gęstość sadzy jest mniejsza niż gęstość grafitu i mieści się w zakresie 1,76-1,9 g/cm³, w zależności od marki (najczęściej 1,8 g/cm ^3).

Kolorowanki

Pigmentowane (barwiące) gatunki sadzy są używane w produkcji farb drukarskich, powłok, tworzyw sztucznych, włókien, papieru i materiałów budowlanych. Są one podzielone na:

• wysokokolorowa sadza (HC);
• średnie (MS);
• normalne zabarwienie (RC);
• niski kolor (LC).

Trzecia litera wskazuje sposób uzyskania - piec (F) lub kanał (C). Przykład oznaczenia: HCF - czarny piec o wysokim kolorze (piec o wysokim kolorze).

Moc barwienia produktu jest związana z wielkością jego cząstek. W zależności od wielkości węgiel techniczny dzieli się na grupy:

Średnia wielkość cząstek, nm	Czarna klasa pieca
10-15	HCF
16-24	MCF
25-35	RCF
>36	LCF

Klasyfikacja

Węgiel techniczny do gumy w zależności od stopnia wzmocnienia jest podzielony na:

• Silnie wzmacniający (bieżnik, twardy). Cechuje go zwiększona trwałość i odporność na ścieranie. Wielkość cząstek jest niewielka (18-30 nm). Stosowany w przenośnikach taśmowych, bieżnikach opon.
• Częściowo wzmacniające (szkieletowe, miękkie). Wielkość cząstek jest średnia (40-60 nm). Stosowane są w różnych produktach gumowych, karkasach opon.
• Niskie wzmocnienie. Wielkość cząstek jest duża (ponad 60 nm). Ograniczone zastosowanie w przemyśle oponiarskim. Zapewnia niezbędną wytrzymałość przy zachowaniu wysokiej elastyczności w wyrobach gumowych.

Pełną klasyfikację sadzy podano w normie ASTM D1765-03, zaakceptowaną przez wszystkich światowych producentów i użytkowników produktów. W nim w szczególności klasyfikacja jest przeprowadzana zgodnie z zakresem powierzchni właściwej cząstek:

Grupa	Średnia w określonym obszarzepowierzchnia przez adsorpcję azotu, 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

Produkcja sadzy

Istnieją trzy technologie produkcji sadzy przemysłowej, które wykorzystują niepełny cykl spalania węglowodorów:

• piec;
• kanał;
• tuba;
• plazma.

Istnieje również metoda termiczna, która rozkłada acetylen lub gaz ziemny w wysokich temperaturach.

Wiele gatunków produkowanych przy użyciu różnych technologii ma różne właściwości.

Technologia produkcji

Teoretycznie możliwe jest otrzymanie sadzy wszystkimi powyższymi metodami, jednak ponad 96% wytworzonego produktu uzyskuje się metodą piecową z ciekłych surowców. Metoda umożliwia otrzymanie różnych gatunków sadzy o określonym zestawie właściwości. Na przykład fabryka sadzy w Omsku produkuje przy użyciu tej technologii ponad 20 gatunków sadzy.

Ogólna technologia jest taka. Reaktor wyłożony materiałami wysokoogniotrwałymi zasilany jest gazem ziemnym oraz powietrzem ogrzanym do temperatury 800°C. W wyniku spalania gazu ziemnego powstają produkty całkowitego spalania o temperaturze 1820-1900°C, zawierające pewną ilość wolnego tlenu. Płynne surowce węglowodorowe są wtryskiwane do wysokotemperaturowych produktów całkowitego spalania, uprzednio dokładnie mieszane i podgrzewane do 200-300 °C. Piroliza surowców odbywa się w ściśle kontrolowanej temperaturze, która w zależności od marki produkowanej sadzy ma różne wartości od 1400 do 1750 °C.

W pewnej odległości od miejsca dostawy surowców reakcja termooksydacyjna zostaje zatrzymana przez wtrysk wody. Powstająca w wyniku pirolizy sadza i gazy reakcyjne trafiają do nagrzewnicy powietrza, gdzie oddają część swojego ciepła do powietrza użytego w procesie, podczas gdy temperatura mieszaniny węgiel-gaz spada z 950-1000 °С do 500-600 °С.

Po schłodzeniu do 260-280 °C z powodu dodatkowego wtrysku wody, mieszanina sadzy i gazów jest przesyłana do filtra workowego, gdzie sadza jest oddzielana od gazów i wchodzi do leja zasypowego filtra. Odseparowana sadza z zasobnika filtracyjnego jest podawana rurociągiem gazowym przez wentylator (turbodmuchawę) do sekcji granulacji.

Producenci sadzy

Globalna produkcja sadzy przekracza 10 milionów ton. Tak duże zapotrzebowanie na produkt tłumaczy się przede wszystkim jego wyjątkowymi właściwościami wzmacniającymi. Lokomotywy branży to:

• Aditya Birla Group (Indie) - około 15% rynku.
• Cabot Corporation (USA) – 14% rynku.
• Orion Engineered Carbons (Luksemburg) - 9%.

Najwięksi rosyjscy producenci węgla:

• Omsktehuglerod LLC – 40% rynku rosyjskiego. Fabryki w Omsku, Wołgogradzie, Mohylewie.
• JSC Yaroslavl Technical Carbon – 32%.
• JSC Nizhnekamsktekhuglerod – 17%.