🗊Презентация Технология и оборудование для производства технического углерода

Технология и оборудование для производства технического углерода Раздьяконова Г.И. Дисперсный углерод [Электронный ресурс]: учеб. пособие/ Омск: Изд-во ОмГТУ, Омск, 2013-1 эл.опт.диск (CD-ROM)

Технология и оборудование для производства технического углерода

Введение Природные энергоносители встречаются в различных агрегатных состояниях: твердом (угли, сланцы), жидком (нефть) , газообразном (природные и попутные газы). В первом приближении фазовое состояние горючего ископаемого может быть сопоставлено с соотношением водорода и углерода в его составе (Н/C). Примерная схема, позволяющая сгруппировать углеродсодержащие вещества по отношению Н/С (мас. %), показана на рис. выше. Максимум водорода содержат газы, минимум - твердые горючие ископаемые, нефти занимают промежуточное положение. Углеродные материалы - исключительно твердые тела, содержащие мало водорода, но их физико-химические свойства закономерно меняются с изменением его доли в составе вещества. Изменяя соотношение Н/С, можно изменять агрегатные состояния углеродсодержащих веществ. Эта возможность осуществляется процессами технологии природных энергоносителей и углеродных материалов. В частности, углеводородные газы можно превращать в твердый углерод (технический углерод, пироуглерод, алмаз) и наоборот: уголь и технический углерод превращаются в газы; жидкие нефтепродукты перерабатываются в газообразные (легкие углеводороды) и твердые (кокс, технический углерод) вещества. Взаимные переходы углеродсодержащих веществ подчиняются общим закономерностям как в природных условиях, так и в промышленности. Например, в производстве углеродных материалов и в природных процессах углеобразования вещества теряют гетероатомы, водород и часть углерода в виде газообразных продуктов. При этом твердая фаза обогащается углеродом, который образует графитоподобные области конденсированных ароматических ядер. Такое сходство не случайно. Оно обусловлено энергетической выгодностью создания высокоупорядоченных структур, каким бы путем оно ни происходило.

Семейство углеродных материалов Семейство углеродных материалов Современные представления о синтезе и строении технического углерода. Свойства технического углерода Классификация технического углерода. Разновидности промышленных процессов получения технического углерода Состояние и перспективы производства и применения технического углерода.

Генерация аэрозолей наночастиц углерода с последующей их сборкой в наноструктуры Стадии синтеза технического углерода :

3. Свойства технического углерода Из каких элементов состоит «технический углерод»? Технический углерод- это порошок черного цвета, состоящий 91-99% С, до 1% Н, до 1% S, до 8% О, до 1% N, до 0,5% минеральные примеси

Строение технического углерода

Частицы технического углерода состоят из множества областей упорядоченности углеродных атомов графитоподобной структуры, имеющих размеры 2-4 нм. Частицы технического углерода состоят из множества областей упорядоченности углеродных атомов графитоподобной структуры, имеющих размеры 2-4 нм. Структура этих областей отличается от идеальной решетки графита за счет искажений как внутри слоев, так и за счет неправильностей их чередования. Такие области упорядоченности называются кристаллитами и они имеют собственные геометрические характеристики: La-средний диаметр, Lc-средняя высота кристаллита и d002 - среднее расстояние между слоями в кристаллите. Эти величины определяются с помощью рентгенографического анализа. Кроме того, имеется некоторое количество неупорядоченных атомов (аморфный углерод), занимающих пространство между кристаллитами или внедренных между слоями. Эти атомы могут находиться в sp, sp2 или sp3-гибридном состоянии.

Наноструктура технического углерода

Размерность технического углерода, как дисперсной системы

Количественно дисперсность характеризуется тремя следующими показателями:

Удельная поверхность (S уд, м2/г) – это площадь поверхности одного грамма технического углерода

Удельная поверхность S уд., м2/г

Структурность технического углерода При получении технического углерода глобулы в аэрозоле сближаются и места их контактов зарастают углеродными слоями. Образуются связнодисперсная система первичных агрегатов технического углерода. Наименьшей неделимой частицей технического углерода является его первичный агрегат.

Физический смысл показателя структурности - объём пустот в плотноупакованной массе ТУ

В мире создано более 120 марок технического углерода

Классификационные признаки в обозначении технического углерода В России: - способ производства (Печной, Канальный, Термический, Ацетиленовый) - среднеарифметический диаметр частиц - удельная полная поверхность по адсорбции азота - структурность ПРИМЕРЫ П 245, К 354, Т 900, А 475

5-и индексное обозначение марки технического углерода в России

Классификационные признаки в обозначении технического углерода В США: - скорость вулканизации ( N – нормальная,S-медленная) -удельная полная поверхность по адсорбции азота - уровень структурности относительно среднего уровня (100 см3/100г) ПРИМЕРЫ N 220, N 339, N 326,N 330, S 315

Взаимосвязь между среднеарифметическим диаметром dca частиц ТУ и удельной поверхностью по адсорбции азота (NSA)

Технический углерод получают при неполном горении углеводородов в пламёнах: Технический углерод получают при неполном горении углеводородов в пламёнах: диффузионных или турбулентных

Первые производства лампового технического углерода из живицы для печатных красок

Разновидности промышленных процессов производства технического углерода

Современные способы производства технического углерода сводятся к следующим[1]:

Производители технического углерода

1 Почему выгодно получать технический углерод в стране? 1 Почему выгодно получать технический углерод в стране? 2 Общая характеристика производства технического углерода 3 Области применения технического углерода 4. Классификация технического углерода. Как правильно называется марка технического углерода, о чём говорит её название? Разные подходы к обозначению по классификации технического углерода в России и в США

Динамика производства ТУ в России

Почему выгодно получать технический углерод в стране?

Общая характеристика производства технического углерода Многотоннажное (мировое производство 11 млн. т) Многоассортиментное (более 120 марок продукта) Монофункциональное (Оборудование не может использоваться для получения других продуктов) Экологически напряженное

Причины, обуславливающие изменения в производстве технического углерода Унификация ассортимента (исчезновение национальных марок) Улучшение экологии производств (дожиг отходящих газов) Замена малоэкологичных процессов Снижение себестоимости продукции

Области применения технического углерода

перспективы применения Марки технического углерода для резины мягкой, средней и жёсткой

Характеристика дисперсности и параметров технологии получения типов технического углерода*

Показатели свойств технического углерода, получаемого разными промышленными технологическими процессами

Лекция 3-4 1. Технологическая схема получения технического углерода

Технологическая схема получения печного технического углерода

Общая технологическая схема получения технического углерода

Подготовка исходных продуктов синтеза Подготовка сырья Подготовка технологической воды (обессоливание или химическая очистка) Подготовка воздуха (очистка, подогрев)

Устройство реактора для синтеза технического углерода Состав реактора - корпус - предназначен для размещения футеровки, топки, зоны реакции, зоны закалки - стакан - предназначен для испарения воды, идущей на закалку - крышка - закрывает корпус реактора, к ней крепится горелка со встроенной форсункой - горелка со встроенной сырьевой форсункой; для сжигания топлива с воздухом и ввода сырья в реактор в распыленном состоянии - водяные форсунки - для ввода воды с целью охлаждения продуктов реакции - пирометр - для измерения температуры внутренней стенки реактора - футеровка - для уменьшения теплопотерь в окружающую среду  

Воздухоподогреватель Аэрозоль, состоящий из сажевых агрегатов и газов, проходя через воздухоподогреватель отдаёт своё тепло, остывая с 900 до 5500С, и нагревает воздух до температуры 700-800°С. Дополнительно охлаждаясь впрыском воды, углеродогазовая смесь поступает в рукавный фильтр, где происходит отделение сажевых агрегатов от газов.

Технология выделения продукта. Для регулирования температуры аэрозоля технического углерода на входе в систему улавливания предусмотрена подача воды через механическую форсунку, установленную в газоходе после механического затвора перед сепаратором. Вода предварительно проходит через фильтр тонкой очистки. Аэрозоль, содержащий до 120 мг/м3 технического углерода поступает в фильтр, где происходит его выделение. Фильтр рукавный ФР-6000. Аппарат предназначен для отделения от углеродогазовой смеси реакторных газов. Представляет собой разделенный на секции аппарат, регенерация осуществляется поочередно по одной секции.  Укомплектовывается специальными рукавами из модифицированной стеклоткани (покрытие политетрафторэтиленом или другой специально подобранной пропиткой). Модифицированная стеклоткань позволяет улавливать техуглерод с размером частиц 10 нм и более, а также увеличивает межремонтный пробег рукавного фильтра.

Фильтрация аэрозоля частиц технического углерода

Фильтры насыпного слоя

Воздухоподогреватель устанавливают за реактором, служит подогреву ВНД и вводу физического тепла в процесс горения топлива.

Схема циклона

Барабан сушильный БСК-40М

классификатор Для удаления посторонних включений металлического характера после сушильного барабана и перед бункером готовой продукции установлены магнитные сепараторы. Для охлаждения и классификации гранул ЭТУ по размерам (отделяет крупные гранулы и комки) установлен классификатор. Из бункеров гранулированный ЭТУ засыпается в хопперы или в приобретаемую линию упаковки в мешки для отправки потребителям.  Нагнетатель ЦНВ-800 предназначен для сжатия и перемещения атмосферного воздуха  Таблица 13 – Параметры нагнетателя ЦНВ-800

Турбовоздуходувка ЗТВ-150-1,12 Аппарат, предназначенный для транспортировки углеродогазовой смеси по газовому транспорту. Применяется в системах улавливания, доулавливания, аспирации. Таблица 14 – Параметры турбовоздуходувки ЗТВ-150-1,12 с двигателем 75 кВт

Мельничный вентилятор ВМН-17. Аппарат предназначен для перемещения больших объемов газовых потоков (очищенного от техуглерода отходящего газа).   Таблица 15 - Параметры мельничного вентилятора ВМН-17

Применяемые способы (технологии) FS (FS- «Factory Sealed» - упаковка производителя по технологии наполнения и укупоривания) FFS (FFS (Form Fill Seal) технология группирования упаковок "формовка - наполнение – запечатывание»)

Система   möllers gmbh (Германия) автоматического пакетирования на поддон мешков

Общий вид установки möllers для автоматической фасовки, упаковки и пакетирования ТУ

Вторичные процессы в реакторе Вторичные процессы в реакторе агрегация агрегатов газификация

Вторичные процессы Для снижения вторичной агрегации агрегатов ТУ и регулирования показателя рН сформировавшиеся агрегаты частиц после выхода из реактора окисляют. В результате окисления некоторая часть (до 10%) углеродной поверхности покрывается кислородными атомами, входящими в состав функциональных групп - карбоксильной, фенольной, хинонной и др.   В качестве окислительного агента обычно используют атмосферный воздух или водяной пар. Воздух предварительно пропускают через фильтры для его очистки, а затем подвергают сжатию приблизительно до 0,15 МПа с помощью воздуходувок.   Разработаны реакторы специальных типов, рассчитанные на использование обогащенного кислородом воздуха и проведение процесса при более высоком давлении. В зависимости от способа распыления сырья может быть использован дополнительный воздух под давлением или пар.

Вторичные процессы

Вторичные процессы Регулирование “cтруктурности” ТУ осуществляют вводом присадок солей щелочных металлов. Ионы этих присадок влияют на степень агрегирования первичных частиц в пламени. Их эффективность зависит только от катионов щелочного металла.

Лекция 3-4 Кинетика образования технического углерода в реакторе

Температурные границы образования ТУ

Время процесса

Время процесса

Улавливание технического углерода Аппараты для улавливания ТУ:

Улавливание технического углерода Механические пылеуловители - Циклоны

фильтрование ТУ

Механизмы коагуляции аэрозоля дисперсного углерода - тепловая (броуновская) коагуляция эффективна под действием броуновского движения частиц в реакторе и зоне закалки , когда в тепловое движение вовлекаются нанодисперсные частицы аэрозольного потока с размером менее 10-7 м; 0,2 мкм→1 мкм градиентная коагуляция обусловлена наличием градиента скорости аэрозольного потока в пристенном слое теплообменника 1мкм→5 мкм - кинематическая коагуляция эффективна в полидисперсном аэрозоле при наличии относительных скоростей движения аэрозольных частиц в холодильнике 5мкм→10 мкм - турбулентная коагуляция обусловлена наличием в аэрозольном потоке в холодильнике-испарителе турбулентных пульсаций и эффективна для аэрозольных частиц с размерами d >10-6 м 10 мкм→15 мкм

Лекция 3-4 Гранулирование технического углерода.

Уплотнение

Гранулирование После гранулирования насыпная плотность возрастает до значений 320-500 кг/м3 в зависимости от способа гранулирования и марки ТУ 1.Сухой способ грануляции Сухим способом можно гранулировать ТУ с низкой и средней структурностью и уд.поверхностью выше 70 м2/г. Гранулят характеризуется очень мелкими гранулами и содержит относительно большое количество “микрогранул” диаметром менее 0,1 мм - пыли. Параметры процесса оказывают сравнительно небольшое влияние на размер гранул и распределение гранул по размерам. Не все марки подходят для сухой грануляции. Для такого типа грануляции особенно подходят низкоструктурные марки. 2.Мокрый способ грануляции Мокрым способом гранулируют практически все марки ТУ любой дисперсности и структурности, размер гранул зависит от отношения ТУ /вода. Для высокоструктурного ТУ требуется больше воды, чем для низкоструктурного. В среднем используют 1 литр воды на 1 кг ТУ. При этом получают гранулы размером 0,5 – 2,0 мм. Скорость вращения вала в пальцевом смесителе может оказывать определённое влияние на твёрдость гранул. Однако, чаще при гранулировании мокрым способом используют гранулирующие агенты или связующие вещества, например, мелассу или лигносульфонаты. В зависимости от дозировки этих веществ, прочность отдельных гранул при раздавливании составляет 20-80 г, а массовая прочность гранул может быть в пределах 10-50 кг.

    Гранулообразование включает два этапа: 1 - формование – придание исходному гранулируемому ТУ формы. Формование идет под действием капиллярных сил сцепления, действующих по поверхности гранул. 2 - структурирование – окончательное формирование связей между агрегатами ТУ внутри гранулы.   Данные этапы могут протекать последовательно, параллельно или реализовываться совместно в различных комбинациях.   Технология окатывания и соответствующая аппаратура являются универсальными для проведения процессов гранулирования Гранулирование окатыванием осуществляется при послойном нанесении частиц порошка ТУ на гранулы в присутствии жидкой фазы - связующего. Процесс проводится обычно в барабанных грануляторах . Их применение экономически обосновано для производительностей 10-30 т/ч. Механизм гранулообразования и качество продукта зависят от соотношения твердой и жидкой фаз . При малом количестве связующего агломерация затруднена, и преобладает процесс разрушения частиц с их последующим наслоением. С увеличением количества жидкой фазы заполняются трещины и поры, образуется жидкостная сетка в агломерате ТУ.   Важен и температурный режим проведения процесса .

Условия гранулирования ТУ

Разная морфология первичных агрегатов

Теоретические основы сушки ТУ Список литературы. 1. Ивановский В.И. Технический углерод. Процессы и аппараты: Учебное пособие. – Омск: ОАО «Техуглерод», 2004 – 228 с. 2. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования. Справочник, 2002 – 1017 с. 3. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. «Энергия», М-Л., 1966 4. А.В. Лыков. Теория сушки. «Энергия», М., 1968

Формы связи влаги с материалами Химическая связь – связь в строго определенных количественных соотношениях как, например, в кристаллогидратах. Физико-химическая связь - адсорбционно и осмотически связанная влага. Физико-механическая связь – поверхностная и капиллярная влага. Капиллярная влага занимает капилляры и открытые поры твердых тел.

Особенности ТУ Во влажных гранулах ТУ преобладает капиллярно связанная влага при наличии также поверхностной влаги. ТУ относят к капиллярно-пористым материалам. адсорбционно связанная влага молекулярными силами – гигроскопическая влажность.

Лекция 3-4 Техническая документация для производства технического углерода. Регламент Инструкции Паспорт безопасности

ПДК ТУ в воздухе